da Nanoteknoloji Uygulamalarında Fizikokimya
advertisement
Hasan Kılıç* Fen Bilimleri, Ortaokullarda Fen Bilgisi dersi, Liselerde ise Fizik, Kimya, Biyoloji ve Sağlık Bilgisi isimleri ile okutulmaktadır. Bunlarda lise ve dengi okullarda okutulan kimya dersi kendi içinde beş anabilim dalına ayrılır. Bunlar; Fizikokimya, Analitik kimya, Anorganik kimya, Organik kimya ve Biyokimya’dır. Bu çalışmanın konusunu oluşturan Fizikokimya veya bir diğer adı ile fiziksel kimya adından da anlaşıldığı gibi fiziksel yöntemlerin kimyaya uygulanması sonucunda ortaya çıkmıştır. Fizikokimya Nedir Fizikokimya; organik veya inorganik (organik olmayan) karakterli kimyasal sistemlerin özelliklerini ve davranışlarını fiziksel yöntem ve teorilerle irdeleyerek kimyasal kanun ve yöntemlerin geliştirildiği önemli bir kimya anabilim dalıdır. Fizikokimya, maddeler arasındaki kimyasal reaksiyonlar sonucunda ortaya çıkan fiziksel olayları, davranışları fiziksel yöntemlerle inceleyerek, bu olaylar veya davranışlarla ilgili olarak konulmuş ilahi kanunları bulup ortaya çıkaran bir madde bilimidir. Elde ettiği bu fizikokimyasal kanunlara dayanarak aynı türden diğer maddelerin, örn., yeni sentezlenmiş bileşiklerin davranışlarının açıklanmasını, yorumlanmasını yapar [1,2]. Mikhail Lomonosov 1752 yılında fizikokimya terimini icat etmiştir ve verdiği konferansta fizikokimya’yı, “fizikokimya, fiziksel deney koşulları altında yürüyen bir reaksiyon ortamında meydana gelen olayların sebebini açıklayan bir bilimdir” şeklinde tarif etmiştir [3]. Bir fizikokimyacı yaptığı bir deneysel çalışmada sistemin ölçülebilen bir fiziksel büyüklüğündeki değişimi izler. Bu gözlemden elde ettiği bulgu ya da bulgular ile ilgili maddenin yapısı arasında akıl yürüterek ilişki kurar ve söz konusu maddenin karakterizasyonunu yapar, davranış özelliklerini belirler. Bir fizikokimyasal çalışma aşağıda verilen basit bir örnekle daha iyi şöyle izah edilebilir: Hepimiz biliriz kışın yollar buz tutmasın diye yollara tuz serpilir. Peki tuz serpince ne olur da yol buz tutmaz? İşte bu sorunun cevabını fizikokimya bu konuda daha önceden yaptığı deneysel çalışmalardan elde ettiği sonuçlardan bilmektedir. Bu konuda fizikokimyanın ileri sürdüğü kanun veya diğer bir deyişle, fizikokimyanın varlığını bulduğu ilahi kanun der ki; “safsızlıklar donma noktasında daima bir düşmeye ve kaynama noktasında da bir yükselmeye sebep olurlar”. Görüldüğü gibi bu kanuna göre yola tuz serpilince yol, suyun donma noktası olan 0 0C de donmayacak, 0 0 C nin altındaki, örn., -2 0C veya -3 0C gibi daha düşük bir sıcaklıkta donacaktır. Bu da yolda kayma ya da buzlanma tehlikesini bir miktar geciktirecek ve sonuç olarak yol daha güvenli olacaktır. Şimdi yukarıdaki “tuz serpince ne olurda yol buz tutmaz, burada nasıl bir mekanizma işler de yol buz tutmaz?” sorusuna fizikokimyanın basit açıklaması şöyledir: Saf su molekülleri normalde 0 0C de (*) Doç.Dr., Marmara Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Fizikokimya Anabilim Dalı Öğretim Üyesi, hkilic@marmara. edu.tr 1 YENİ TÜRKİYE 88/2016 21. yy.’da Nanoteknoloji Uygulamalarında Fizikokimya’nın Yeri YENİ TÜRKİYE 88/2016 2 donar. Saf su demek; aralarında sudan başka yabancı hiçbir molekül veya madde olmayan su demektir, hepsi birbirinin aynısıdır. O halde hepsi aynı fiziksel özelliklere, buradaki hali ile aynı bir donma noktasına sahiptirler. Fakat ortama tuz serpilince, tuz suyun içinde çözünür ve çözünmüş tuz molekülleri yar yar su moleküllerinin arasına sızar ve böylece birbirine tutunmuş su moleküllerinin birbiri ile temasını keser. Su molekülleri arasındaki temas bu şekilde kesilince suyun donması artık gecikir, çünkü bir su molekülü donmasını yanındakine iletemez olur. İşte bu gecikmelerin toplamı da bize suyun donma noktasında fark edilebilir bir düşme olarak yansır. Tuz serpince donma noktası düşmesi ile ilgili fizikokimyanın daha kapsamlı açıklaması ise; “suyun mol kesrindeki azalma sebebi ile donma noktası düşer” şeklinde olup, burada bununla ilgili detayları vermeye gerek görülmemiştir. Burada yeri geldiği için bu konu ile ilgili olmuş bir olayı nakletmek te yararlı olacaktır. İkinci dünya savaşı sırasında Hitlerin orduları bir kış mevsiminde Moskova kapılarına dayanmıştır. Ancak hesap etmedikleri bir olay olmuş, tankların yakıt depoları donmuş, dolayısı ile açık hedef haline gelmişlerdir. Hitler, “bana bilim adamlarını toplayın” şeklinde bir emir vermiş ve tüm bilim adamlarını bir çadırda toplamıştır. Hitler bilim adamlarına “24 saat içinde donmayan motor bulunacak aksi halde hepinizin başını keserim” demiştir. Gerçekten 24 saat içinde zırhlı araçların motorlarının donma sorunu yakıta antifiriz konulması ile çözülmüştür [4]. Antifiriz maddesi, etilen glikol olup yakıta katıldığında yakıtın saflığı bozulmaktadır. Yukarıda da belirtildiği gibi saflığın bozulması da yakıtın donma noktasında bir düşmeye sebep olmuştur. Böylece etilen glikol ilk kez araçlarda kullanılmıştır. Daha önceki dönemde ise etilen glikol, dinamitin donma noktasını düşürdüğü ve böylece de dinamitin daha güvenli saklanmasına amacı için kullanılmakta idi. Çoğumuz mutlaka duymuşuzdur veya okumuşuzdur günümüzde çok sık bir şekil- de hidrojen enerjisinden bahsedilir. Fakat bir türlü hidrojen enerjisine geçilememektedir. Nedir bu enerji, nasıl bir enerjidir ve neden hidrojen enerjisine geçilemiyor da insanlık bunu kullanamıyor? Bu soruları fizikokimya penceresinden cevaplamadan önce aşağıdaki bilgilerin verilmesi gerekmektedir. 2 Hidrojen atomu (veya 1 Hidrojen molekülü) + 1 Oksijen atomu, birbiri ile reaksiyona girdiğinde aralarında aşağıda verilen reaksiyona göre H2(gaz) + ½ O2(gaz) → H2O(buhar) + 69000 kalori veya tam olarak fizikokimyasal kurala göre yazılırsa, H2(gaz) + ½ O2(gaz) → H2O(buhar) ΔH= - 69000 kalori çok istekle, diğer bir ifade ile şiddetle vuku bulan bir reaksiyon gerçekleşir ve ürün olarak su meydana gelir. Verilen reaksiyondan da görüldüğü gibi büyük bir enerji açığa çıkmıştır. ΔH = - olması demek bu reaksiyonun ekzotermik olduğunu, dolayısı ile dışarıya 69000 kalorilik enerji verildiğini göstermektedir. Dikkat edilirse 18 gram su oluşmasına karşılık büyük bir enerji açığa çıkmaktadır. Bu sebeple hidrojen ile oksijen arasındaki reaksiyon patlama ile meydana gelir. Bu reaksiyon bir yanma reaksiyonudur. Hidrojen son derece yanıcı bir gaz ve bilindiği gibi oksijen de son derece yanmayı şiddetlendiren bir gazdır. Bu nedenledir ki bir yangın yerinde ilk müdahale ateşin hava ile temasını kesmektir. Bu iki maddenin şiddetli reaksiyonundan açığa çıkan suya bakınız ki reaksiyona girenlerden tamamen farklı bir kimyasal özelliğe sahiptir. Su da, ne yanmadan ve ne de yakmadan eser kalmamıştır, tam tersine bir söndürücü ortaya çıkmıştır. Bu da yaratanın ilahi gücünü göstermesi açısından çok önemli bir reaksiyondur. İnsanlık tarih boyunca hiçbir zaman denizdeki suyun yandığını görmemiştir ve sonsuza dek de görmeyecektir. Burada şu hatırlatmanın yapılmasında fayda vardır: Deniz tabanından yanıcı bir başka gaz, örneğin doğal gaz su yüzeyine çıkar ve bu gaz ateşlenirse yanar. Bu yanma farklı bir yanma Hidrojen % 100 verimle yanabilen ve yanma ürünü de su olan, dolayısı ile çevreye olumsuz bir etkisi olmayan çevre dostu bir yakıttır. Mümkün olsa arabalarda petrol yerine hidrojen gazı kullanılsa egzozdan dışarı su buharı atılacaktır. Buna benzer olarak; uzay mekiklerinin fırlatılışı esnasında mekik tam kalkarken ortam birden toz duman olur, bulut gibi bir ortam oluşur. İşte bu ortam su buharıdır, çünkü mekik tam kalkarken hidrojen – oksijen arasındaki reaksiyon başlatılmış ve oluşan su, buhar halinde ortaya çıkmıştır. Bu sırada muazzam bir enerji açığa çıkmış ve bu enerji mekiği rampadan kaldırabilmiştir. Oluşan bu suyun tekrar hidrojen ve oksijene dönüşebilmesi için o açığa çıkan enerjinin suya aynen geri verilmesi gereklidir. Bu örnekten suyun hidrojen ve oksijene parçalanması için ne kadar büyük bir enerjinin verilmesi gerektiği daha açık bir şekilde görülmektedir. Dünyamızın ¾ ünün su olduğu düşünüldüğünde ve egzozdan da çevreye hiçbir zararı olmayan su atıldığı göz önüne alındığında gerçekten okyanusların, denizlerin, derelerin, göllerin muazzam birer enerji kaynağı olduğu görülebilir. Günümüzde suyun elektrolizini ekonomik ölçekte gerçekleştirebilmek için bilim insanları yoğun bir şekilde çalışmakta, değişik katalizör malzemeleri geliştirmekte ve bunlarla denemeler yapmaktadırlar. Fakat maalesef bu konuda henüz önemli bir ilerleme olduğu söylenemez. Bilim insanlarının yıllardır bu alanda yaptıkları bunca çalışmaya rağmen suyun elektrolizinde önemli derecede ekonomik bir şekilde elektroliz yapacak elektrotların bulunamamasına bir de ters taraftan bakılırsa sanırım burada ilahi bir sır olduğu görülebilir. Farz edelim ki suyun elektrolizi de diğer pek çok kimyasal maddeler gibi ekonomik bir şekilde gerçekleşebilir olsaydı yeryüzünde yaşam ne olurdu acaba? Eğer okyanustaki, denizdeki, deredeki, göldeki ve akarsulardaki su kolayca hidrojen ve oksijenine parçalanabilir olsaydı o zaman yeryüzünde patlamalardan dolayı yaşanamazdı. Bundan da kötüsü, bazı devletler okyanusları, deniz, dere, göl ve akarsuları sahiplenir ve böylece yeryüzünde kargaşa hakim olurdu. Hatta bu kavgalar köylere kadar inebilirdi. O halde suyun elektrolizinin ekonomik olmamasının sebebi bir tesadüf değil tam aksine ilahi bir sır olmalıdır. Yüce yaratan suda tam bu noktaya öyle bir kilit vurmuştur ki sanırım insanlık sonsuza kadar da bu kilidi çözemeyecektir. Bu sonuç da göstermektedir ki, fizikokimya ve diğer tüm bilim kolları yukarıda en başta da belirtildiği gibi sadece yaratıcının koyduğu kanunları ve bu kanunlarla ilgili matematiksel ifadeleri bulurlar, ortaya çıkarırlar, kendileri kanun koyamazlar. Bilindiği gibi içinde bulunduğumuz dünyamızda maddeler katı, sıvı ve gaz olmak üzere en fazla üç faz halinde bulunabilirler. İyi ki bu şekilde bulunurlar. Aksi takdirde 3 YENİ TÜRKİYE 88/2016 olup, burada anlatılan hidrojenin yanması ile bir ilgisi yoktur. Deniz, dere, göl veya herhangi bir akarsuyun yandığının görülmemesi; hidrojenin tam bir şekilde yandığını, geride hiç hidrojen kalmadığını, hidrojenin % 100 verimle yanarak suya dönüştüğünü gösterir. Fizikokimyanın bir alt dalı olan kimyasal termodinamik suyun oluşum reaksiyonunu ve mevcut suyun da tekrar oluşturanlarına (H2 ve O2) parçalanması reaksiyonunu incelemiştir. Kimyasal termodinamiğin vardığı sonuç çok sade bir şekilde şöyledir: Suyun oluşumunda hidrojen ve oksijenin birbiri ile reaksiyona girme istekleri ne kadar yüksekse, ters reaksiyonun yani elimizdeki mevcut suyun hidrojen ve oksijenine parçalanması reaksiyonu da aynı nispette zordur. O halde 18 gram suyu hidrojen ve oksijenine parçalamak için 69000 kalori verilmesi gerekiyor. Görüldüğü gibi ters reaksiyon ekonomik değildir. İşte bu nedenledir ki yukarıda verilen reaksiyonda tek yönlü bir ok, ileri yönde bir ok kullanılmıştır. Reaksiyon kendiliğinden geri dönmemektedir. Neden hidrojen enerjisini kullanamıyoruz sorusunun cevabı artık belli olmuştur. Şöyle ki; suyun oluşturanlarına parçalanması ekonomik değildir. maddenin örn., suyun buhar fazı olmasaydı yükseklere su nasıl çıkarılabilirdi. Suyun buhar fazı sayesinde Himalaya’ların tepesine su doğal olarak bulutlar vasıtası ile çıkabilmektedir. YENİ TÜRKİYE 88/2016 4 Madde moleküllerinin en serbest bir şekilde hareket ettiği faz gaz fazıdır. Gaz fazında moleküller arası ilişkiler, etkileşimler minimum bir seviyededir. Bu yüzden fizikokimya, fizikokimya yasalarını hazırlarken önce gaz fazında incelemelerini yapar, teorilerini veya denklemlerini buradaki gözlemlerine göre oluşturur, sonra buradan elde ettiği bilgiler ışığında sıvı ve katı fazlarla ilgili olayları değerlendirmeye, yorumlamaya çalışır. Gazdan sıvı ve katıya geçtikçe madde molekülleri arasındaki etkileşimler artacağından söz konusu maddenin birçok fiziksel özelliğinde önemli değişikler olur. Bu değişiklere dayanarak söz konusu maddenin daha yakından tanınması sağlanır, karakterizasyonu yapılır. Fizikokimyacı gerektiğinde bu incelemelerinde yeni yöntemler geliştirir. O halde fizikokimyanın amacı, maddenin ölçülebilen tüm özelliklerini ölçebilmek için fiziksel teori ve yöntemlerden faydalanarak yeni teori ve yöntemler geliştirmek, yeni deneylerin prosedürlerini hazırlamak, yeni cihaz gerekiyorsa bunu tasarlamaktır denilebilir. Kimyanın önemli bir ana bilim dalı olan modern fizikokimya 1860 ile 1880 yılları arasındaki kimyasal termodinamik, elektrolit çözeltileri, kimyasal kinetik ve diğer bazı konularla ortaya çıkmıştır. Fakat zaman içinde gelişerek pek çok önemli alt dalları ortaya çıkmıştır. Kimyasal denge konusunda uzun zamandan beri yapılan çalışmalar bu alt dalın en doğru biçimde ancak termodinamik ile açıklanabileceğini göstermiştir. Bu yüzden kimyasal denge ile ilgili ilk termodinamik çalışma birbirinden bağımsız olmak üzere Amerikalı matematiksel fizikçi Josiah Williard Gibbs (1839-1903) ve Hollandalı kimyacı Jacobus Henricus van’t Hoff (1852-1911) tarafından 1874-1878 yılları arasında yapılmıştır [5]. Bu gelişmeler sonrasında önemli bir kilometre taşı Josiah Willard Gibbs’in 1876 yılında yayınlanan “Heterojen Maddelerin Dengesi Üzerine” isimli makalesi olmuştur. Bu makale Gibbs enerjisi, kimyasal potansiyel ve Gibbs’in fazlar kuralı gibi fizikokimyanın birtakım köşe taşlarını ortaya çıkarmıştır [6]. İlk bilimsel fizikokimya dergisi bir Alman dergi olup Zeitschrift für Physikalische Chemie ismi ile 1887 yılında Wilhelm Ostwald, Jacobus Henricus van’t Hoff ve Svante August Arrhenius tarafından kurulmuştur. Rus-Alman fizikokimyacı Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932) zayıf elektrolitlerin molar iletkenliği ile ilgili Arrhenius kuramını nicel olarak 1888 yılında açıklamıştır. Bu bilim adamları 19. yüzyılın sonları ve 20. yüzyılın başlarında fizikokimyanın önderleri idi. Bu üç bilim adamı 1901-1909 yılları arasında Nobel kimya ödülü ile ödüllendirilmişlerdir. Devam eden dönemde istatistiksel mekaniğin kimyasal sistemlere, kolloidlere ve yüzey kimyasına uygulamasında gelişmeler olmuştur. Bu gelişmelerde Irving Langmuir’in önemli katkıları olmuştur. Diğer önemli bir basamak 1930 lardan itibaren kuantum mekaniğinin kuantum kimyası içinde gelişmesi idi. Burada Linus Pauling önemli liderlerden biridir. Teorik gelişmeler, infrared spektroskopi ve mikrodalga spektroskopi gibi farklı formlarda spektroskopik yöntemler kullanarak deneysel gelişmelerle baş başa ilerledi. Elektron spin rezonans spektroskopi (ESR) ve nükleer magnetik rezonans spektroskopi (NMR) muhtemelen 20. yüzyılın en önemli gelişmesidir. Fizikokimya da diğer iki önemli keşifte radyoaktivitenin ve ağır atomların sahip olduğu enerjinin keşfedilmeleridir. Özellikle 2. Dünya savaşından önce ve 2. Dünya savaşı sırasındaki isotop ayırmadaki gelişmeler bu alanın çok kısa zamanda büyük ilerleme kazanmasına yol açmıştır [7]. Doğada maddeler ile ilgili olarak gözlenen olaylar ilk zamanlarda filozoflar tarafından yorumlanmaktaydı. Kimya ilmini bu filozoflardan ilk kurtaran ve kimyasal elementin modern anlamını ilme sokan İngiliz bilim Fizikokimya anabilim dalının da zamanla daha da gelişmesi sebebi ile bu anabilim dalı da pek çok alt dallara ayrılmıştır. Bu alt dallardan bazıları aşağıda sekiz sınıf içinde verilmiştir. Bu alt dallar aynı zamanda tüm dünyada kimya mühendisliğinin de doğmasına sebep olmuştur [1,5]. 1) Gazlar, Sıvılar, Gerçek çözeltiler, Heterojen sistemlerde kimyasal denge (J. Williard Gibbs’in fazlar kuralı, 1875-1876), Katılar (kristalografi, katıların yapısının aydınlatılması, X ışını yöntemleri), Yüzey kimyası ve kolloidal çözeltiler, Adsorpsiyon - desorpsiyon, Elektrokimya (elektrolit çözeltiler, elektrokimyasal sistemlerin termodinamiği, korozyon). 2) Homojen sistemlerde kimyasal denge, Kimyasal kinetik (kimyasal reaksiyonların hızları, hız kanunları ve mekanizmaları), Kataliz, Fotokataliz, Fotokimya. 3) Kimyasal termodinamik (çözeltilerin termodinamiği, serbest entalpi fonksiyonu = Gibbs serbest enerjisi, kimyasal potansiyel), Termokimya (kalorimetri). 4) Kuantum kimyası (Klasik mekanik ve Kuantum mekaniği arasındaki farklar, Kuantum mekaniğinin prensipleri, de Broglie ve Schrödinger denklemleri, Kuantum teorisinin postulaları (doğru kabul edilen varsayımları), Atomların elektronik halleri, Schrödinger denkleminin Hidrojen atomuna ve diğer atomlara uygulanması, Çok atomlu moleküllerin elektronik yapıları, Atom ve moleküllerin ötelenme, dönme ve titreşim hareketleri) [2,5,8]. 5) Çekirdek kimyası (nükleer kimya) [8,9]). 6) Polimer kimyası, Polimer oluşumunun reaksiyon kinetikleri 7) Optik spektroskopi, fotokimya ve yüzey kimyası, Katı, sıvı ve polimerlerin yapısını inceleme metotları, magnetik alan ve magnetik dipoller, elektronik ve magnetik dipoller, elektron spin rezonans spektroskopisi (ESR); manyetik alanda elektron spinini (dönmesini) inceler. Buna göre bir moleküldeki paramagnetik türleri, yani magnetik alandan etkilenen serbest radikal gibi türleri belirlemede kullanılır. nükleer magnetik rezonans spektroskopisi (NMR); manyetik alanda atomun çekirdeğinin spinini (dönmesini) inceler. Maddenin gaz ve sıvı halinde kullanılabilir. Çalışılan moleküldeki H veya karbon, C çekirdekleri bu yöntem ile sayılabilir. Fourier transform infrared spektroskopisi (FTIR); molekülün titreşim hareketlerine bağlı olarak spektrumlar alır. Ultraviole-görünür bölge spektroskopisi (UV-Vis), mikrodalga spektroskopisi; molekülün dönmesi ile ilgili durumu inceler. Mikrodalga spektroskopisinden yararlanarak bir molekülün atomları arasındaki uzaklık hesaplanabilir. Raman spektroskopisi (RS); bu yöntem FTIR spektrumları gibi molekül yapısı hakkında önemli bilgiler verir. Elektron spektroskopisi (ES); yüzey çalışmalarında kullanılır. Kütle spektrografisi yöntemi; Bu yöntemle atom tartıları çok duyarlı bir şekilde tayin edilebilir, bu yüzden bir elementin izotoplarının kütlesi bu yöntemle yüksek doğrulukla ölçebilir. Nötron aktivasyon analizi; çekirdek özelliklerine dayanan bir yöntemdir. Örnek madde nötron bombardımanına tabi tutulur ve böylece radyoizotopu hazırlanır. Her radyoizotopun kendine has bir yarılanma süresi olduğunda ortamda kaç tür madde bulunduğu tayin edilebilir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM); 5 YENİ TÜRKİYE 88/2016 adamı Robert Boyle (1626-1691) olmuştur. R. Boyle ilk kimyacıdır. Zaman ilerledikçe bu alanda da ilerlemeler olmuş, 17. yy dan 20. yy lın başına kadar maddelerin birbirleri ile ilişkileri konusunda bilgilerimizde önemli gelişmeler olmuştur. Bu ilerlemeler sırasında yapılan gözlemlerin, yorumların, sonuçların değerlendirilmesine matematiğin de girmesi ile kimya, fizik ve biyoloji gibi temel bilimler ortaya çıkmıştır. Kimya biliminin ilerleyen yıllarda hızla gelişmesi sebebi ile fizikokimya, analitik kimya, inorganik kimya (organik olmayan kimya), organik kimya ve biyokimya beş anabilim dalına ayrılmıştır [5]. katı yüzeyi taramalarında kullanılır. Atomik kuvvet mikroskobu (AFM); hem iletken ve hem de yalıtkan yüzeylerdeki atomların tek tek ayrılmasını sağlarlar. 8) Maddenin makroskopik ve moleküler teorilerinin uzlaşması: Moleküler haller için olasılık dağılımı, İstatistik termodinamik. Bu alt dalların içerikleri konusunda aşağıda kısa kısa bilgiler verilmiştir. Kristalografi; katı maddeler içinde atomların nasıl dizildikleri, bağ yapıları, atomların kristal örgüsü ve bu özelliklerin katının fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerine etkilerini inceler. Kristalografi, X ışınlarının keşfinden sonra gelişmeye başlamıştır. İngiliz fizikçiler Sir William Henry Bragg (1862-1942) ve oğlu Sir Lawrance Bragg (1890-1978) X ışınlarını kristal yapı analizinde kullanarak katıların incelenmesinde bir devrim yapmıştır. YENİ TÜRKİYE 88/2016 6 Yüzey kimyası ve kolloidal çözeltiler; iki faz arasındaki düzleme yüzey veya arayüz denir. Sıvı-gaz, sıvı-sıvı v.b. gibi tüm ikili arayüzlerdeki fiziksel ve kimyasal olaylar normal çözelti içindeki durumlarına göre farklılıklar gösterir. Bu nedenle buna benzer bazı özel koşullardaki atom, molekül veya iyonlara kolloidal tanecikler denir. Bu taneciklerin içinde dağıldıkları faz ile oluşturdukları arayüzde kolloitlerin özellikleri değişir. Bu yüzden yüzey kimyası ve kolloitler çoğu zaman birlikte incelenirler. Adsorpsiyon – desorpsiyon; atom iyon ya da moleküllerin bir katı yüzeyinde tutunmasına adsorpsiyon ve tutunan taneciğin yüzeyden tekrar geri ayrılmasına da desorpsiyon denir. Endüstride, tıpta ve diğer kimya tabanlı pek çok alanda önemli uygulamaları vardır. Bir ortamda iki ayrı tür madde olduğunu düşünelim ve bu söz konusu ortam çözeltisinin miktarı da bir kimyasal işlem yapılamayacak kadar az olsun. Böyle bir durumda uygun bir adsorban (adsorplayıcı) kullanarak ortamdan uzaklaştırılması istenilen madde ortamdan çıkartılabilir. Böylece bir çeşit saflaştırma yapılmış olur. Elektrokimya; Bir şekilde bir madenden veya yapılmış bir çalışmadan elimizde Au+Cu (altın+bakır) karışımı bir malzeme olsun. Bu malzeme içindeki altını, bakıra dokunmadan saf bir şekilde almak istiyoruz. Bunu başarabilmek için seçilecek en iyi yöntem bir elektroliz işlemi olup, elektrokimyanın alanına girer. Söz konusu malzemenin uygun bir elektroliz çözeltisi hazırlanır ve uygun bir şekilde elektroliz devresi kurulduğunda altın, bakıra dokunmadan çalışılan elektrot üzerinde çöktürülerek ortamdan uzaklaştırılır. Başka bir ifade bakırdan ayrılabilir. Her elementin kendine has elektrokimyasal bir çökme potansiyeli vardır. Bu yüzden altın ve bakırın çöktürme potansiyelleri birbirinden farklıdır. Elektroliz işlemi altının çöktürülme potansiyelinde gerçekleştirildiğinde altın çökerken bakır olaya karışmaz ve altın % 100 e varan yüksek bir saflıkta elde edilebilir. Söz konusu altın – bakır çözeltisindeki altını alternatif olarak analitik kimya yöntemi ile de ayırmak mümkündür. Fakat bu yöntemde ortama uygun üçüncü bir çöktürücü madde (reaktif) ilave edilmelidir. Örn., bu reaktif altını çöktürür fakat mutlaka bakırdan da çöktürür. Dolayısı ile elektrokimyasal yöntemdeki gibi yüksek saflıkta altın elde edilemez. Kimyasal denge; ileri ve geri yöndeki reaksiyonların hız sabitlerinin eşit olduğu durumda kimyasal denge kurulur. Denge halindeki ileri hız sabitinin, geri hız sabitine oranından ilgili reaksiyonun kimyasal denge sabiti bulunur. Bu sabit sayesinde söz konusu madde ile ilgili olarak önemli başka detaylara ulaşılabilir. Kimyasal kinetik; bir reaksiyonun dengeye gelmeden önceki koşullarını inceler. Reaksiyon başladıktan itibaren denge konumuna ulaşıncaya kadar geçen süre içinde reaksiyonun hangi hızla ilerlediğini inceler. Yaptığı hesaplamalarla reaksiyonun istemli mi, istemsiz mi olduğunu, ne kadar sürede Kataliz, bir kimyasal reaksiyonun hızlandırılması işlemine kataliz, bu iş için kullanılan maddelere de katalizör denir. Bir kimyasal reaksiyonun hızı bir ışık etkisi ile hızlandırılıyorsa buna da fotokataliz denir. Günümüzde ne yapılırsa yapılsın üreticinin ilk gözden geçirdiği konu olayın maliyetidir. Yüksek maliyetli ürünlerin pazar şansı daha azdır. Bu yüzden pek çok işkolu üretimleri esnasında katalizör kullanarak çalıştıkları reaksiyonun daha çabuk, daha verimli olması yoluna giderler. Bu da başta elektrik ve malzeme sarfiyatında önemli tasarruflara sebep olur. Örn. sıvı yağların katılaştırılmasında platin elementi (Pt) çok iyi bir katalizördür. Pt, hidrojen gazını (H2), anında H, H şeklinde hidrojen atomlarına ayırır ve bu hidrojen atomları sıvı yağ içinde bağlanacakları yerlere anında bağlanarak reaksiyonu çok kısa sürede bitirirler, böylece elektrik enerjisi tasarrufu sağlarlar. Bu nedenle katalizörler, sanayicilerin en çok ilgilendiği konular arasındadır. Fotokimya; ışığın neden olduğu kimyasal reaksiyonlara fotokimya, ışık kimyası denir. Büyük bir bahçede örn. elma yetiştirdiğimizi düşünelim. Bahçede dikili elma ağaçlarının hepsi aynı cinsten olsa bile toplanan elmaların her birinin tat ve aromaları nın farklı olduğu görülür. Güneş ışığını uygun bir şekilde alan elmalar daha tatlı olacaktır, çünkü bu tür elmalar içinde vuku bulan fotokimyasal reaksiyonlar tam olarak gerçekleşmiştir. Burada yeri gelmişken fotokimya ile ilgili bir anımı anlatmak istiyorum. Bir deneysel çalışmam sırasında laboratuvarda bir kumarin bileşiğinin asitlik sabitlerinin tayini ile ilgili bir çalışma yapıyordum. Bu amaçla her 10 dakikada bir bu bileşiğin absorbansı aletle tarafımdan ölçülüyordu. Dört saatlik bir çalışmaya rağmen alet içinde bekleyen maddede herhangi bir değişiklik olmayınca toparlanmaya karar vermişken, masanın üzerinde güneş ışığı altında bekleyen stok çözeltiden son bir kere daha alıp son bir çalışma yapmak geldi içimden. Hemen böyle yaptım ve bu defa spektrumda çok önemli bir değişiklik görülmüştür. Hastanede çekilen röntgen filmi de bir çeşit spektrumdur. Bu yüzden burada bahsedilen spektrumda bu şekilde düşünülebilir. Değişiklik gözlenince çalışmalar devam edilmiş ve tekrar bir dört saat sonunda değişimin sonlandığı bulunmuştur. Yapılan değerlendirmeden, çalışılan maddenin kimyasal yapısının güneş ışığı etkisi ile bir yerinden açıldığını ve iki tane bu şekilde açılmış molekülün birbirine bu açılmış yerden bağlanarak iki moleküllü bir yapı oluşturduğu, kimya tabirine göre dimerleştiği bulunmuştur. Bu tür dimerleşmelerin özellikle tıpta adrese teslim ilaç uygulamalarında önemli uygulamaları vardır. Bu çalışmada varılan sonuca göre söz konusu maddenin özellikle cilt kanseri tedavisinde faydalı olacağı bulunmuştur. Patent başvurusu tarafımdan yapılmıştır. Ayrıca asit, baz özellikleri ve güneş ışığı etkisi ile dimerleşmesi iki ayrı makale olarak basılmıştır [10,11]. Adrese teslim ilaç uygulaması kısaca şöyledir: Bu madde ile kapsül hazırlanır ve gerçek kanser ilacı bu kapsül içine yerleştirilerek bir çeşit hap hazırlanır. Doktor hastaya örn., “ilacı gece saat 12:00 de iç, yârin sabah 8:00 de burada ol” der. Bunun anlamı şudur; hasta ilacı içtikten 8 saat sonra ilaç kanserli bölgenin kapısına gelmiş ve kapsül içinde beklemektedir. Saat 8 de hasta ışın tedavisine alınır, öyle ki üzerinde hastalıklı bölgeye x ışınları v.b. yüksek enerjili ışın gönderilir. Bu ışının gücü ile kapsül açılır ve ilaç adrese teslim edilmiş olur. Bu verilen ışın tedavisi ile sağlıklı hücrelerde zarar görebilir. Bu yüzden kemoterapi alan hastalarda saç dökülmesi v.b. yan etkiler ortaya çıkmaktadır. Termodinamik; fiziksel ve kimyasal olaylardaki denge koşullarını inceler. Kimyasal tepkimenin yönünün ve denge konumu- 7 YENİ TÜRKİYE 88/2016 bu reaksiyonun bitebileceği gibi konularda önemli bilgiler sağlar. Örn., gıda kimyasında gıdanın raf ömrünün hesaplanmasında, bir ilacın etki süresinin ne zaman biteceği veya vücuttan atılacağı v.b. gibi çalışmalar bu alt dal içinde gerçekleştirilir. nun belirlenmesinde kullanılır. Bir tepkimenin nereye doğru gittiğinin belirlenmesinde kullanılır. Termokimya, ısı alışverişinden ve bunların ölçülmesinden, kalorimetrik ölçümlerden bahseder. 8 Kuantum kimyası; atomun yapısının aydınlatılması çalışmaları fizikokimyanın bir alt dalı olan Kuantum kimyası içinde ele alınmaktadır. Atomun yapısının aydınlatılması çalışmaları sırasında kuantum kimyasının ortaya çıkması ve bunun bir sonucu olarak Schrödinger’in geliştirdiği denklemle günümüzdeki kuantum mekaniği veya diğer bir adı ile dalga mekaniğinin ortaya çıkış sürecinde çok ilginç gelişmeler yaşanmıştır. Bu gelişmelerin okuyucu tarafından okunmasında önemli yararlar vardır. Kuantum mekaniği bize atomum içindeki elektronların yerini tam olarak belirleyemeyeceğimizi söylese de, elektronun en fazla bulunabileceği bölgeyi tanımlar. Kuantum mekaniğinin doğması, radyoaktivite ve nükleer enerjinin ortaya çıkışı Fizikokimya konulu bu çalışmanın sonuna doğru daha ayrıntılı olarak verilmiştir. Hesapsal kimya; laboratuvarda gerçekleştirilmesi mümkün veya mümkün olmayan tüm çalışmaların kuantum mekaniği ile hesaplamaları yapılarak söz konusu reaksiyonun mümkün veya değil olma durumlarının teorik olarak incelendiği fizikokimyanın bir alt koludur. YENİ TÜRKİYE 88/2016 İstatistik mekanik ve istatistik termodinamik; maddelerin makroskopik ve mikroskobik özellikleri arasında bağlantılar kuran alt dallardır. Çekirdek kimyası (nükleer kimya); Her element atomunun bir çekirdeği vardır. Çekirdeğin içinde + yüklü proton ve yüksüz nötronlar bulunur. Çekirdeğin dışındaki bölgedeki elektronların alınıp verilmesi ile normal kimyasal reaksiyonlar olur. Çekirdeğin içindekilerin karıştığı reaksiyonlara ise nükleer reaksiyonlar denir ve bunlar nükleer kimya alanına girer. Nükleer çalışmalar her laboratuvarda yapılamaz ancak nükleer santrallar- da yapılabilir. Bu yüzden çekirdek kimyası; çekirdeğin içi ile ilgili bilgiler verir. Çekirdek içinde bulunan elementel tanecikler, çekirdek içi kuvvetler, çekirdeklerin kararlılığı, çekirdek modelleri, radyoaktivite ve radyoaktif maddelerin yaydığı ışınlar v.b. bilgiler verir [8]. Radyoaktivite de çekirdek içinde gelişen olayların bir sonucudur, çekirdek kimyası içinde bir bölümdür. Bazı çekirdekler nötron ve poton gibi parçacık ve elektromagnetik ışıma (radyasyon) yayar. Bu olaya radyoaktivite denir. Radyasyon kimyası; radyasyonların ilerlerken yolları boyunca meydana getirdikleri değişikleri inceler [8,9]. Polimer kimyası, farkında olmasak bile doğal veya yapay polimer maddelerle içiçe yaşamaktayız. Nişasta, selüloz, pamuk, yün, doğal kauçuk birer polimer maddedir. Dogal polimerlerin yanı sıra, basit moleküllerden yola çıkarak sentetik büyük moleküllü polimelerlerin de sentezlenebileceğini ilk defa 1920 yılında Alman kimyacı Hermann Staudinger (1881-1965) göstermiş ve 1953 yılında Nobel Kimya ödülünü almıştır [5]. Fizikokimyasal çalışmalar makroskopik ve mikroskobik yaklaşımlarla ele alınmaktadır. Örn., hacmi, miktarı, basıncı veya sıcaklığı ölçülebilecek kadar büyük madde durumlarında deneysel çalışmalar makroskopik yaklaşımlarla değerlendirilir. Bu yüzden termodinamik, elektrokimya, kimyasal kinetik ve polimer kimyası içindeki çalışmalar makroskopik türdendir. Oysa, atom, molekül, iyon, elektron gibi çok küçük maddeler durumunda yapılan çalışmalar mikroskobik yöntemle ve teorik olarak incelenirler. Bu yüzden kuantum kimyası, spektroskopi ve istatistiksel termodinamik kapsamında yapılan çalışmalar mikroskobik türden olup teorik çalışmalardır. Yukarıda verilen fizikokimyanın alt dalların her biri büyük bir alan olup özel uzmanlık gerektirir. Bu da göstermektedir ki fizikokimya kendisine has yöntem ve metotlara sahiptir. Ülkemizde pek çok fizikokimyacı Ülkemizde olduğu gibi tüm dünyada binlerce araştırmacı, binlerce konu üzerinde farklı yöntemler kullanarak tıp, mühendislik, eğitim, ziraat, veteriner v.b. gibi alanlarda araştırmalar yaparak değişik amaçlı malzemeler üretmektedirler. Bu araştırmacıların hepsinin ortak tarafı bilerek veya bilmeyerek mutlaka bir fizikokimyasal yöntem kullanıyor olmalarıdır. Bir malzemeci çalışma grubu düşünelim, bir çalışma yapacaklar fakat çalışma yöntemi ile ilgili tecrübeleri yoktur. Bu durumda diğer ülkelerden söz konusu yöntemle çalışabilecek bir araştırmacıyı laboratuvarlarına davet ederek çalışmalarını gerçekleştirilebilirler. Günümüzde sahasında uzman pek çok araştırmacı kendi bilgisini arttırmak için veya dışarıda yapılacak bir çalışmaya kendi uzmanlık alanında katkı sağlamak için yurtdışına giderek bilimsel çalışmalara katılmaktadır. Bu şekilde bir çalışmaya katılmam için Houston Universitesi, Kimya ve Biyokimya Mühendisliği profesörlerinden Dr. Stanko Brankovic’den kendi laboratuvarında (Texas, ABD) çalışmak üzere 2013 yılında davet edildim. Yüksek lisans tez çalışmam sırasında kullandığım Anodik Sıyırma Voltametri (ASV) yöntemi ile bu laboratuvarda 2013 ve 2014 yazında çalışarak magnetik kaydedici kafaların yapımında kullanılacak nanomalzemenin sentezi ve elektriğin kayıpsız bir şekilde dönüşümünü sağlayacak fonksiyonel nanomalzeme sentezi çalışmalarına katıldım [18,19]. Söz konusu çalışmaların makale hazırlık çalışmaları halen devam etmektedir. Nanoteknolojide Fizikokimyanın Yeri Burada yeri gelmişken ve fizikokimya ile özellikle elektrokimya ile çok yakından ilgili olması sebebi ile nanoteknolojiden bahsetmek isabetli olacaktır. Günümüzde en çok konuşulan konulardan birisi de nanoteknolojidir. Metrenin milyarda birine nano denir. O halde nanoteknoloji; metrenin 1/milyar boyutunda işleyen bir teknoloji demektir. Bu kadar küçük boyuttaki bir teknoloji olsa olsa atomik boyutlarda yürüyen bir teknoloji olmalıdır. Neden araştırmacılar bu kadar zor bir işe giriyorlar, dar bir alanda deney yapmaya çalışıyorlar gibi haklı bir soru akla gelebilir. Atomlar nanoboyutlarda bir araya getirildiklerinde elektrik, manyetik, optik ve mekanik davranışlarında ilginç özellikler göstermektedirler. Örn. hepimiz biliriz altının rengi sarıdır. Fakat nanoboyutta bir araya getirilmiş birkaç altın atomundan oluşan nanomalzemenin rengi ise yeşildir. Bu yüzden değişik element atomlarının nanoboyutta bir araya getirilmesi ile ilginç özellikler konusundaki merak, araştırmacıları cezbetmektedir. Bu yüzden yeni bulunabilecek ilginç özellikler malzeme biliminde çok önemli yeni gelişmelere, akıllı malzemelerin ortaya çıkmasına sebep olacaktır. Böylece de hayatın ilgili noktasında önemli yeni bir kolaylık geliştirilmiş olacaktır. Nanomalzemelere örnek olarak karbon nanotüpler, nanokristaller ve fulerinler örnek verilebilir. Fakat şu unutulmamalıdır ki, gerçekte en bariz nanoteknolojik ürünler; biz insanlar, hayvanlar ve diğer bitki örtüsü, kısaca bu gezegende yaratılmış her varlıktır. Örn. bir insan sidiğini sidik torbasında uzun bir süre tutabildiği halde acaba elinde kaç dakika tutabilir. Beş dakika bile tutamaz, eli yanmaya başlar. O halde yaratıcı 9 YENİ TÜRKİYE 88/2016 vardır ve her biri fizikokimya içindeki kendi uzmanlık alanında araştırmalar yapmaktadır. Bir fizikokimyacı olarak, organik kimyacılar tarafından yeni sentezlenmiş, dolayısı ile hiçbir fizikokimyasal özelliği henüz bilinmeyen bazı orijinal primidin bileşiklerinin fizikokimyasal özellikleri tarafımdan çalışılmıştır. Primidin bileşikleri hayatın sırrını taşıyan DNA (deoksiribonükleik asit) nın yapısındaki üç yapıtaşından biridir. Bu çalışmalarda elektrokimyasal [12], potansiyometrik titrasyon [13] ve UV-görünür bölge spektrofotometri yöntemleri kullanılarak söz konusu bileşiklerin ilaç olabilmeleri yolunda gerekli asitlik sabiti, keto ↔ enol tautomerleşmesi ve hidrasyon gibi önemli fizikokimyasal özellikleri çalışılmış, ilgili reaksiyon mekanizmaları tayin edilerek literatüre kazandırılmıştır [14-17]. YENİ TÜRKİYE 88/2016 10 burada amaca uygun bir malzeme kullanmış, öyle bir malzeme ki burada bu malzemenin atomları bu görevi yerine getirecek şekilde konuşlandırılmıştır, dizilmiştir. Eğer buradaki malzeme de elimizin içindeki malzemenin aynısı olsaydı acaba halimiz nice olurdu. Başka bir örnek, toprağa bir tane elma çekirdeği gömüyoruz, oradan bir elma ağacı büyüyor, armut ağacı değil. O halde o elmanın çekirdeğinde o elmanın genetik kodu işlenmiş. İşte bütün bunlar bir nanoteknolojidir ve insanlık var olalı bu teknoloji de vardır. Gören göz tavuğa baksa yaratıcıyı görür. Tavuk, etraftaki çer çöpü toplar yer ertesi gün sahtesi yapılamayan, ambalajlanmış bir yumurta sunar sahibine. Yukarıda verilen 1/milyar ölçütü dikkatle hayal edilirse, sanki nanoteknolojik bir çalışmada çalışılacak element atomlarının cımbızla alınarak ilgili yere konulması gibi bir işlemi gerektirdiği görülebilir. Bu durum normalde mümkün değildir çünkü bunca gelişmiş mevcut teknolojiye rağmen malesef günümüzde atomları henüz göremiyoruz ve hiçbir zaman da göremeyeceğiz. Fakat böyle bir işlem, atomların tek tek istediğimiz gibi yerleştirilmesi işlemi ancak uygun bir elektroliz işlemi ile mümkündür. Bu da göstermektedir ki bu teknolojinin günümüzdeki tek aleti uygun bir elektrokimyasal yöntem, kısacası elektrokimyadır. Elektrokimya, fizikokimyanın önemli bir alt dalıdır. Elektrokimyasal yöntem geçmişten günümüze kadar fizikokimyanın çok önemli bir kolu olmuştur. Nanoteknolojik dönemde de bu üstünlüğünün devam edeceği anlaşılmaktadır. Bu dönemde elektrokimyacılar başta, mikroelektronikçiler, nanoelektronikçiler, malzemeciler ve katıhal fizikçileri olmak üzere fonksiyonel nanomalzeme araştırmalarında önemli katkıları olacaktır. Dolayısı ile nanoteknoloji fonksiyonel nanomalzeme kullanılmasını içeren tüm alanlarda önemli katkılara ve yeniliklere yol açacaktır. Başta Amerika Birleşik Devletleri, İsrail, Japonya ve Almanya gibi diğer pek çok ülke bu teknolojiye milyar dolarlar üzerinde muazzam yatırım yapmıştır ve hala da yapmaktadırlar. Nanoteknolojiden beklenen; artık yapılacak ürünler mikro boyutun da ötesinde nanoboyut mertebelerindeki küçük hacimlerde olabilecek ve üstelik eski teknolojiye göre daha sağlam, daha verimli, daha kullanışlı, daha hızlı, kısacası daha fonksiyonel olacaktır. Nanoteknoloji sayesinde kimya ve kimyasal maddeler daha etkili ve bilinçli kullanılarak daha verimli, daha güvenilir malzemeler üretilebilecektir. Bu da göstermektedir ki gelecekte nanoteknoloji kimya bilimi ile, özellikle mevcut fizikokimyasal yöntemlere ilave olarak yeni keşfedilecek yöntemlerle kimyanın omuzlarında ilgili endüstriyel alanlarda pek çok yeni önemli gelişmelere yol açacaktır. Önümüzdeki yüzyıl temelde kimyanın, fizikokimyasal yöntemlerin ve malzeme biliminin yüzyılı olacaktır. Nanoteknolojik gelişmelere örnek verecek olursak, örn., bu teknoloji ile uzun süre solmayan boyalar, daha etkili ilaçlar, daha yüksek kapasiteli ve hızlı bilgisayarlar, daha fonksiyonel iş elbiseleri, örn., yanmayan, ıslanmayan elbiseler, iş makineleri yapılabilecektir. Geliştirilecek nanorobotlar ile sağlık ve mühendislikte önemli yenilikler olacaktır. Daha fonksiyonel dedektörler, biyosensörler üretilebilecektir. Bu sayılanların pek çoğu günümüzde gerçekleşmiştir. Bu gelişmelere ilave olarak, nanoteknolojik gidişat gelecekte bu teknolojinin iletişim, inşaat, hava, kara ve deniz ulaşımı, eğitim, deniz dibi araştırmalar, uzay araştırmaları, depremi önceden tahmin edebilme araştırmaları gibi hayatın birçok noktasında daha da önemli uygulamaları olacaktır. Yeni geliştirilecek nanoalgılayıcılar sayesinde deprem araştırmalarında önemli gelişmeler beklenebilir. Enerjinin daha verimli üretilmesi, iletilmesi ve kullanılması gerçekleşerek elektrik enerjisinin tasarrufunda büyük katkılar sağlayabilir. Belki çok uçuk bir öngörü olacak fakat şunu belirtmekte yarar vardır; nanoteknoloji ile geliştirilecek süper hızlı ve fizikokimyasal yöntemleri içeren daha yeni teknik programlarla donatılmış süper bilgisa- yarlar sayesinde gelecekte kimyasal deneyler hiç deney yapmadan hem de tam nanoteknolojik olarak bilgisayar ortamında gerçekleştirilecektir. Böylece söz konusu reaksiyonun daha önceden olabilirliği ve elde edilen ürünün fizikokimyasal özellikleri bilgisayar ortamında önceden belirlenecek ve istikbal vaad eden bir durum halinde gerçek nanoteknolojik çalışmaya geçilecektir. Görüldüğü gibi böyle bir çalışma var olan doğal kaynakların heba edilmeden daha yerinde kullanılmasını sağlayacak ve bu şekli ile de daha temiz çevrenin gelişmesinde yardımcı olacaktır. Bu yüzden başta Amerika Birleşik Devletleri olmak üzere birçok ülke nanoteknolojik çalışmalara çoktan başlamışlar hatta nanoteknoloji dersleri okullarda lisans seviyesine kadar inmiş durumdadır. Daha da ötesi, şu an Amerika’da liselerde verilen proje ödevlerinde öğrencilerin çoğu nanoteknoloji ile üretilmiş elektronik parçaları bir araya getirerek başta robot, çeşitli sensörler, uzaktan kumandalı alet vb. teknolojik ürün tasarımı yaparak birbirleri ile yarışmaktadırlar. Bizim ülkemizde de nanoteknolojik çalışmalar Tübitak, Aselsan, Gebze Yüksek Teknoloji Üniversitesi (GYTE), Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ), Bilkent ve Sabancı Üniversitelerinde yapılmaktadır. Hatta Bilkent Üniversitesi bünyesinde Devlet Planlama Teşkilatımızın desteği ile 2006 yılında Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi (UNAM) kurulmuştur. Yurtdışındaki değerli araştırmacılarımız da bu merkezdeki araştırmacılarımız ile ortak çalışmalar yaparak merkezimize araştırma – geliştirme (AR-GE) desteği vermektedirler. açıklamak için çeşitli bilimsel modeller ortaya koymuşlardır [8]. Atom hakkında Democritus, Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr ve De Broglie görüşlerini ortaya koymuşlar ve günümüzdeki atom modeli ortaya çıkmıştır. Democritus’ a göre; madde parçalara ayrıldığında en sonunda bölünemeyen bir tanecik kalır ve bu atomdur. Günümüzde kullanılan atom modeli Modern Atom Teorisi sonucu ortaya konmuştur. b) Dalton Atom Modeli (John Dalton 1766–1844) İlk atom hipotezi; İlk atom teorisinin 1808 yılında Dalton tarafından ileri sürülmüştür. İlk defa Dalton atomları simgeleyen yuvarlaklar kullanmışsa da sonraları Berzelius, değişik atomların isimlerinin baş harflerini kullanmıştır. Buna göre atom hakkında ilk bilimsel görüş 1803 – 1808 yılları arasında İngiliz bilim adamı John Dalton tarafından ortaya atılmıştır. Dalton’a göre; 1- Bütün elementler görünmeyen atomlardan oluşmuştur, atomlar içi dolu küre şeklindedir, 2- Atomlar bölünmezler, 3- Bir elementin atomları aynı ve aynı bir kütleye sahiptir. Farklı elementlerin atomları farklıdır. 4- Kimyasal tepkimelerde atomların düzenlenmesi değişir. Yeni bir atom meydana gelmez ve var olan da yok olmaz. 11 Thomson Atom Modeli (John Joseph Thomson 1856–1940) Atom Modelleri: Atom, Yunancada bölünemez anlamına gelir. Eski çağlardan günümüze kadar gözle görülemeyen atom hakkında çeşitli bilim adamları deneyler yapmışlar, atom hakkında elde ettikleri bilgileri Şekil 1: Katot ışınları tüpü. Sağa doğru giden ışınlar – yüklü katot ışınları, sola doğru giden ışınlar + yüklü kanal ışınları [20] YENİ TÜRKİYE 88/2016 Atomun Yapısının Aydınlatılması Çalışmaları ve Kuantum Mekaniğinin Doğuşu YENİ TÜRKİYE 88/2016 12 İngiliz fizikçi Sir William Crooke, 1879 da katot ışınları tüpünü (boşalma (deşarz) tüpünü) icat etmiştir. Bu tüp içine çok düşük basınçta bir gaz konulduğunda ve gazdan da 10000 V düzeyinde elektrik akımı geçirildiğinde gazın cinsine göre bir ışıma gözlenmiştir. Gazın cinsi değiştikçe ışımanın renginin de değiştiği gözlenmiştir. Örn., azot gazı (N2) gazı varsa ışımanın rengi pembe, civa (Hg) buharı varsa ışımanın rengi yeşildir. Bu tüple yapılan sonraki deneylerde tüp içindeki gazın basıncı 1/100 mm-Hg nın altına düşürüldüğünde söz konusu gaza özel olarak görülen ışımaların kaybolduğu gözlenmiştir. Ancak bu sefer katottan (- elektrot) anot (+ elektrot) a doğru bir ışıma görülmüştür. Bu deney her seferinde tüpün içine farklı gazlar konulmuş ve düşük basınçta bu deney aynı şekilde tekrarlanmıştır. Her seferinde de yine sadece katottan anoda doğru ilerleyen ışıma görülmüştür. Bu yüzden bu ışımaya katot ışınları denilmiştir. Gazın cinsi değiştiği halde her seferinde katottan anoda doğru ilerleyen aynı bir ışının görülmesi, bunun tüm maddelerin ortak bir özelliği olduğu sonucuna varılmıştır. İlerleyen dönemde J.J. Thomson bu katot ışınlarının etrafına mıknatıs yerleştirmiş ve bu defa ışınların mıknatısın pozitif tarafına doğru büküldüğünü bulmuştur. Buna göre Thomson bu ışınların – yüklü olduğunu bulmuştur. J.J. Thomson ve daha sonraki araştırmacılar bu – yüklü taneciklerin elektrik yük / kütle oranını tayin ederek, bunların Faraday tarafından elektroliz yoluyla elde edilen elektrik atomları olduğu, elektronlar olduğu bulunmuştur. Katot ışınları tüpünde gözlenen olayın açıklaması şudur: Yüksek gerilimle hızlandırılan elektronlar, ortamdaki gaz (veya hava) moleküllerine çarparak onlardan da elektron kopararak birlikte elektriğin katottan anoda akmasını sağlarlar. Katot ışınları tüpü, TV tüpünün atasıdır. Elektronlar – yüklü partiküllerdir. Elektronlara bir elektrik veya magnetik alan uygulanarak TV ekranında odaklanması sağlanır ve görüntü oluştururlar [8,20]. Elektriğin tanecik yapılı olduğu Faraday’ın elektroliz çalışmalarından biliniyordu. Böylece katot ışınlarının tanecik denilen o en küçük yapı, elektrik atomu, yani elektronlar olduğu kesin olarak anlaşılmıştır. Böylece elektrik atomunun, başka bir ifade ile elektronların gerçek varlığı gazlardan elektrik akımı geçirilmesiyle oluşan katot ışınlarından ortaya konulmuştur [8]. Pozitif ışınlar (kanal ışınları) ın keşfi: Katot ışınlarının elektronlar olduğu anlaşılınca Goldstein; madem katot ışınları – yüklü taneciklerdir, o halde atomda + yüklü tanecikler de olmalıdır deyip, + yüklü parçacıkların varlığını kanal ışınlarını bularak göstermiştir. Katot ışınları tüpünde anot, katot elektrotları arasına uygulanan yüksek gerilim sonucunda atomdan elektronlar kopup ayrıldıklarına göre geride + yüklü iyonlar oluşmalıdır. Bu + yüklü iyonlar da elektronun ters yönünde hareket ederek negatif elektroda (katoda) doğru gitmelidirler şeklinde düşünmüş ve deneysel çalışmasını gerçekleştirmiştir. Bu + yüklü ışımaları daha iyi görebilmek için katot elektrodunun üzerine delikler açmıştır. Deney başladığında aradığı ışınların bu deliklerden elektrodun arkasındaki karanlık bölgeye kanal şeklinde geçişlerinden Goldstein bunları tespit etmiş ve bunlara pozitif ışınlar ya da kanal ışınları demiştir [8,20]. Bu ışınlar yukarıda Şekil 1 de gösterilmiştir. J.J. Thomson atom modeli: Maddenin yapısına dair ilk modern yaklaşım J.J. Thomson’un katot ışınlarından elektronun keşfi ile başlar. Thomson deneyinde katot için farklı madde kullandığında ve deney tüpünün farklı gazla doldurulduğunda bile katot ışınlarının aynı davranışta bulunduğunu görmüş, elektronun maddenin temel bir taneciği olduğunu söylemiştir. Böylece atomun yapısı hakkında ilk model 1897 yılında Thomson tarafından ortaya konmuştur. Thomson 1887 yılında elektronu keşfinden sonra kendi atom modelini ortaya atmıştır [20]. Bu devirde herkes gibi Alman bilim adamı Röntgen’de katot ışınları tüpü ile çalışmalar yapmıştır. 1896 yılında Röntgen katot ışınlarının çarptıkları katı yüzeylerde çok girici ve o güne kadar bilinmeyen farklı ışınların meydana geldiğini gözlemlemiş ve mahiyetini de bilemeyince bunlara X ışınları demiştir. Bu konu Moseley’e doktora tezi konusu olarak verilmiştir. Moseley bir deney düzeneği hazırlamıştır. Bu düzenekte bu X ışınlarının yolu üzerine her seferinde farklı bir element, bir antikatot malzemesi yerleştirmiştir. Bu deney düzeneği ile Moseley, Röntgen’in deneysel koşullarını aynen sağlamıştır. Moseley’in deneysel düzeneği aşağıda gösterilmiştir [8]. Moseley, bu antikatot malzemenin Bragg yöntemine göre röntgen ve emisyon spektrumlarını incelemiştir. Şekil 2: X ışınlarının keşfi [8] Düzenekten de görüldüğü gibi katot ışınları hızla ilerlerken önlerine konulmuş antikatot malzemesine, örn. bir bakır engele hızla çarparlar. Başak bir ifade ile büyük bir hızla ilerleyen elektronlar bu çarpmanın etkisi ile antikatot malzeme tarafından durdurulurlar, frenlenirler. İşte bu frenleme, bakırın daha iç tabakalardaki elektronlarının sökülmesine boşaltılmasına yol açar. Daha iç tabakalardaki elektronlar yerinden söküldüğünden, açığa çıkan X ışınları da daha yüksek enerjili olmaktadırlar. Moseley, bakır gibi birçok element çalışmıştır. Her bir elementten elde ettiği X ışını ile, o elementin atom numarası (pozitif yükü) arasında bir ilişki olduğunu görmüştür. Bulduğu bu deneysel sonuca göre Moseley elementlerin kimlik numaralarının atom numarası olduğunu bu sebeple periyodik sistemde elementlerin atom numaralarına göre sıralanması gerektiğini ortaya atmıştır. Daha da önemli ikinci bir bulgusu; o zamanlarda örn., oksijenin doğada 168 O , 178 O , ve 188 O şeklinde olduğu biliniyordu ve bunların her birinin ayrı birer element olduğu sanılıyordu. Moseley, bunların ayrı ayrı elementler olmadığını oksijenin izotopları, (benzeri) olduğunu bulmuştur. Bu keşfi ile Moseley periyodik sistemi güçlendirmiş ve izotop diye yeni bir kavramı da kimyaya kazandırmıştır. Bu sebepledir ki günümüz periyodik sisteminde elementler artan atom numaralarına göre sınıflandırılmışlardır. Yukarıda verilen üç oksijen izotopuna bakıldığında oksijen sembolünün altındaki sayıların üç sembolde de aynı ve 8 olduğu görülür. İşte bu alttaki sayılar bir atom için atom numarası olarak adlandırılır ve ilgili atomun kimlik numarası yerine geçer. Bu sayının 1 değişmesi demek, örn. 8 yerine 7 olması demek; başka bir atom, azot atomu (N) demektir. Diğer taraftan oksijen sembollerinde üstte yazılan rakamlar ise; söz konusu elementin kütlesi hakkında bilgi verir [2,5,8]. X ışınlarının keşfinin önemi: 1- en fazla uygulama bulmuştur. Bunlar ilmi, sınai ve tıbbi olmak üzere üç gruptur. 2- Atomun elekt- 13 YENİ TÜRKİYE 88/2016 Thomson atom modeli; - yüklü elektron ve + yüklü protonların homojen bir şekilde yer aldığı bir küre modelidir, üzümlü keke benzer. Üzümler elektronları geri kalan kısım ise + yükleri temsil eder. Thomson’ a göre; atom küre şeklindedir. Atomda (+) ve (–) yüklü tanecikler elektriksel dengeyi sağlamak için pozitif yük sayısına eşit sayıda elektron küre içinde dağılmıştır. Elektronun küre içindeki dağılımı üzümün kek içindeki dağılımına benzer. Günümüz atom bilgisine göre nötron denilen parçacıklardan bahsedilmemesi Thomson modelinin önemli bir eksikliğidir. Proton ve elektronların atomda rastgele yerlerde bulunduğu iddiası ise teorinin günümüze göre diğer bir hatalı yönüdür [5,20]. ron sistemine ait bilgilerimizin önemli bir kısmı X ışınları sayesinde elde edilmiştir. 3- İnci, elmas v.b. değerli eşyaların gerçek mi, sahte mi olduğu X ışınları ile belirlenebilmektedir. Günümüzde havaalanlarına v.b. yerlere girerken bu ışınlarla kontroller sağlanmaktadır, 4gözle görülemeyecek kadar küçük cisimlerin içini görmeye yararlar, hekimler bunlarla vücudun içini görürler. Hastanelerde çektirilen Röntgen filmleri bu ışınlarla çekilirler [2,8,9]. X ışınlarının tehlikeleri: Kanın beyaz hücrelerini (akyuvarlar) öldürürler ve kansızlığa sebep olurlar. Bir çeşit deri kanseri yaparlar. Bu ışınlarla çalışanlar kurşun eldiven, gözlük, elbise kullanmalıdır ve duvarları içinde kurşun levhalar olan odalarda çalışmalıdırlar. 14 X ışınlarının keşfedilmesinden sonra Amerikan patent ofisine başvurulmuştur. Patent ofisi başkanı dünyadaki o günkü bilim adamlarına birer mektup göndererek onları önemli bir keşif üzerinde konuşmak üzere Amerika’ya davet eder. Verdiği kokteylde dünyadaki en büyük keşfin yapıldığını, bundan daha büyük başka bir keşfin olmayacağını belirterek X ışınlarının keşfini duyurur. Fakat bundan tam iki ay sonra radyoaktivitenin keşfi, bölünemez denilen atomun bölündüğü bulunmuştur, keşfedilmiştir [2,8,9]. YENİ TÜRKİYE 88/2016 Rutherford Atom Modeli (Ernest Rutherford 1871–1937) Rutherford zamanında J.J. Thomson atom modeli geçerliydi. Bu modele göre atom küre şeklindedir ve küre içerisinde proton ve elektronlar bulunur. Acaba bu proton ve elektronlar atom içinde belirli bir yerde mi yoksa gelişigüzel mi dağılıyorlardı? Bu sorunun cevabı henüz bilinmiyordu. Rutherford bu sorunun cevabı ve Thomson atom modelinin doğruluk derecesini anlamak için daha önceden α ve β ışınları ile yaptığı çalışmalardan kazandığı tecrübelerine dayanarak bir deney tasarlamıştır. 1909 yılında yaptığı bu deneyinde ince bir altın levha üzerine rad- yoaktif bir kaynaktan elde ettiği +2 yüklü α ışınlarını göndermiş ve bu ışınların saçılmasını incelemiştir. Böylece atomun yapısı hakkında ilk deneysel bilgi Rutherford’dan gelmiştir. Şekil 3. Rutherford’un altın deneyi montajı [21] Şekilden görüldüğü gibi altın levhayı C şeklinde çinko sülfür (ZnS) sürülmüş bir ekran içine yerleştirmiştir. Altın levhayı geçip ekran üzerine düşen α tanecikleri ekrana sürülen ZnS üzerine çarptıklarında ışıldama yapmaktadırlar. Böylece metal levhayı geçen α taneciklerini sayma imkanı elde edilmiştir. Rutherford yaptığı bu deneyde altın levha üzerine gönderilen α taneciklerinin % 99,99 kadarının yollarından sapmadan veya çok az saparak metal levhadan geçtiklerini, fakat çok az bir kısmının ise metale çarptıktan sonra 1500 e varan büyük bir açı ile geriye döndüklerini görmüştür. Gönderilen ışınların çoğunun geçmesi, atomların içinde büyük boşluk olduğunu göstermiştir. Geriye sapan ışınlar ise atomun içinde sapmaya neden olan büyük bir + yük olduğunu göstermiştir, çünkü gönderilen α ışınları da sonuçta + yüklüdür. Gönderilen + yüklü ışını, atomun içindeki + yüklü merkez itmiştir. Rutherford bu sonuca göre atomun merkezinde + yüklü bir merkez önermiş ve buna çekirdek demiştir, atomun çekirdeği. Tıpkı biyolojide olduğu gibi. Biyolojide her hücrenin bir çekirdeği vardır ve hücrenin yönetimi buradan yapılır. Rutherford, çekirdekteki bu + yükün protonlar olduğunu işaret etmiştir. Bu sonuçlara göre kendi atom modelini önermiştir [2,8,9]. Rutherford’un atom modeli (1911); 1Atomun merkezinde atomun bütün kütlesi- Rutherford’un bu önerilerine, madem elektronlar sürekli dönüyor, enerjisi bitince çekirdek üzerine düşmelidir diye itirazlar gelir ve Rutherford bu itirazı açıklayamaz. Bu itirazı hem Rutherford ve hem de Max Planck’ın öğrencisi olan Niels Bohr 1913 te Rutherford atom modelini, Planck’ın kuantum teorisi ile birleştirerek aşağıda Bohr kuramında verildiği şekilde açıklar [8,9]. Planck’ın kuantum teorisine (1901) göre enerji tanecikli bir yapıya sahiptir, sürekli değildir. Bu nedenle bir cismin enerji alış verişi enerji atomları ile yani enerji kuantumları ile olur. Bir enerji kuantumu, E = hν olup bu en küçük enerji atomudur. Burada h; Planck sabiti olup değeri 6.63x10-34 Js dir. Enerjinin en küçük birimine kuantum denir [2,5,8]. Planck, değişik sıcaklıklara kadar ısıtılmış katı maddelerin yaydığı radyasyonu incelemiştir. Bu incelemeleri sırasında ısıtılmış bu tür maddelerin yaydığı radyasyonu incelerken, söz konusu maddenin atomlarının veya molekülerinin sadece belirli ve kesikli birimlerde enerji yayabileceklerini veya soğurabileceklerini (içine çekebileceklerini) keşfetmiştir. Planck, bu teorisi ile demir’in spektrumlarını çok başarılı bir şekilde şöyle açıklamıştır: Bir demir parçasını kızgın bir kor’a atalım ve bir süre sonra oradan çıkaralım. Demir kıpkırmızı görülür. Aynı demiri bekletmeden hemen aynı kor’a tekrar sokalım. Kor’u daha fazla körükleyip yanmanın şiddetini arttıralım. Bu şekilde demiri bir süre bekletelim ve tekrar dışarı çıkaralım. Bu defa demirin mavi ışık verdiği görülür. Mavi ışık, kırmızı ışıktan daha yüksek enerjilidir. O halde mavi ışık, demir elementinin daha iç tabakalardaki elektronlarının uyarılmasına karşılıktır. Oysa kırmızı ışık, demirin değerlik tabakasındaki, yani en dış tabakadaki elektronların uyarılmasına karşılıktır. Bohr Atom Modeli (Niels David Bohr 1875–1962) Bohr kuramı 1913: Gezegenler sabit yörünge üzerinde dönebilirler ve klasik teori bunlar için geçerlidir, çünkü bunlarda Newton kanununa göre kuvvet çekmesi ağırlıktan ileri gelir. Bu yüzden klasik teori atomlara uygulanamaz. Atomlar için belirli yörüngeler olabilir ve elektronların bu yörüngelerdeki hareketi, bir yörüngeden diğerine ancak enerji alıp – vererek geçmek şeklinde olabilir. Bu yörüngeler n (baş kuantum sayısı) ile belirlenebilir. Görüldüğü gibi Bohr kuant kavramını atomların yapısına uygulayan ilk bilim adamıdır [2,5]. Bohr’un bu açıklamaları daha açık olarak şöyle izah edilebilir; Gezegenler gibi büyük kütleli maddelerin davranışları klasik mekanik ile incelenebilir. Fakat atom boyutlarındaki küçük cisimlerin davranışları klasik mekanik ile incelenemez, başka bir mekanik gereklidir. Bir boğaz köprüsü yapmak için klasik teori, Newton mekaniği geçerlidir, kullanılabilir. Fakat örn., karıncalar ve daha küçük canlıların geçebileceği bir boğaz köprüsü yapabilmek için Newton mekaniği kullanılamaz, başka bir mekanik kullanmak gereklidir. Bohr teorisinde de, Rutherford teorisinde olduğu gibi elektronlar atomun çekirdeği çevresinde dairesel yörüngeler üzerinde 15 YENİ TÜRKİYE 88/2016 ni içeren + yüklü bir çekirdek ve çekirdeğin içinde protonlar vardır. Çekirdeğin çevresinde ise çekirdeğin + yüküne eşit sayıda elektronlar vardır. Elektronlar çekirdek etrafında gezegenlerin Güneş etrafında dolandığı gibi dairesel yörüngelerde sürekli dolanırlar. 2- Elektronlar çekirdek çevresinde belli bir hızla dolanırlar, öyle ki dönme ile kazanılan merkezkaç kuvvet, atom çekirdeğinin çekim gücüne eşit olur ve böylece elektronlar çekirdek üzerine düşmezler. Rutherford, çekirdek içinde kütlesi protonun kütlesine eşit büyüklükte bir taneciğin daha olması gerektiğini işaret etmiştir. Nötron 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedilmiştir ve 1935 yılında da Nobel fizik ödülü ile ödüllendirilmiştir. Bu taneciğin elektriksel bir yükü yoktur, nötürdür. Bu taneciğe nötron diyoruz [2,8,9]. hareket ediyordu. Fakat Bohr, ciddi bir başka koşul getirmekte idi; 1- Hidrojen atomunun tek elektronu sadece belirli yörüngelerde bulunabilirdi. Her yörüngenin de belli bir enerjisi vardır. Yani elektronun enerjisinin kuantlı olduğunu, tanecikli olduğunu, sadece belli enerjileri alabileceğini öngörüyordu. Başka bir ifade ile elektronların çekirdekten itibaren her uzaklıkta bulunamadıklarını, ancak belli mesafelerde bulunabileceklerini söylüyordu. Bohr, elektronlar çekirdek etrafında dairesel yörüngelerde hareket ederler diyordu. Bohr, bu yörüngelere enerji düzeyi veya kabuk demiştir. 2- Uyarılmış bir atomdaki bir elektron yüksek enerji düzeyinden düşük enerji düzeyine inerken aradaki enerji farkını bir foton, bir ışık olarak yayar, tersinde ise enerji alır ve aradaki enerji farkı; ΔE = Eyüksek – Edüşük = hν (kuant) şeklindedir diyordu. 16 Bohr modeline göre atom; ortada atomun hemen hemen bütün kütlesinin bulunduğu + elektrik yüklü bir çekirdek, bunun etrafında muhtelif tabakalara sıralanmış güneş etrafında gezegenlerin hareketi gibi harekette bulunan ve çekirdeğin + yükünü nötürleştirecek sayıda – yüklü elektronlardan oluşmuştur [2,5,8]. YENİ TÜRKİYE 88/2016 Şekil 4: Değişik atomların elektronik yapıları [22] Bohr atom modeline göre Hidrojen atomu; Hidrojen’in simgesi 11 H dir. Alttaki 1; bu atomun çekirdeğinde + yüklü bir protonun varlığını göstermektedir. H atomu doğal halinde nötür olduğuna göre o halde çekirdek çevresinde de – yüklü bir elektronu olmalıdır. Üstteki 1 ise; bu atomun kütlesinin 1 olduğunu göstermektedir. Elektronun kütlesi, protonun kütlesinin 1/1840 ta biridir, görüldü- ğü gibi çok küçüktür, bu nedenle de atomun kütlesinde önemli bir etkisi yoktur. O halde H atomunda, çekirdekte bir proton ve çekirdek çevresinde de dönmekte olan 1 elektron vardır. Görüldüğü gibi H atomunda nötron yoktur ve H atomu tıpkı Dünya – Ay ın minyatürü gibidir. Hidrojen’den bir sonraki element Helyum olup, 24 H e şeklinde gösterilir. Buna göre; alttaki 2; Helyum’un çekirdeğinde iki tane + yüklü proton ve iki tane de yüksüz nötron olduğunu gösterir. Bir nötronun kütlesi ile bir protonun kütlesi aynı olup 1 e eşittirler. Bu yüzden üstteki 4; iki proton + iki nötronun kütleleri toplamı olan 4 e eşittir. Bohr’a göre çekirdeğe en yakın yörüngede bulunan (n = 1) elektron en düşük enerjilidir. 1913›te Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962), H atomunun spektrum çizgilerini Max Planck’ın kuantum kuramına dayanarak başarılı bir şekilde açıklamıştır. Buradaki spektrum kelimesi; bir hastanede çekilmiş bir akciğer filmi kabaca ilgili hastanın akciğerinin bir çeşit spektrumudur, içeride ne var, ne yok göstermektedir. Atomlarında bu şekilde spektrumları alınır. Bohr kendi kuramında ne söylemişse bunu H atomu ile yaptığı çalışmadan elde ettiği spektrumların yorumu ile başarılı bir şekilde ıspat etmiştir. Bohr modeli H atomunun yanı sıra hidrojene benzer, başka bir ifade ile tek elektronlu Helyum ve Lityum gibi element atomlarının spektrum çizgilerini de başarıyla açıklamıştır. Ancak bu model çok elektronlu atomların ve iyonların karmaşık spektrum çizgilerini açıklamakta maalesef yetersiz kalmıştır. Bu sebeple bu kuram yaklaşık oniki yıl geçerli kalabilmiştir [2,5]. Modern Atom Teorisine Doğru İlerleyen yıllarda Sommerfeld ve Wilson, Bohr kuramını daha da genişletmişlerdir. Bohr sadece bir koordinat sistemi düşünmüştür. Atomda üç boyut olduğuna göre bir elektronun yerini belirlemek için üç koordinat sistemi gereklidir. Bu nedenle enerji De Broglie teorisi: Fizikçiler şaşırmıştı, neden Bohr atomunda bir elektron belirli yörüngelerle kısıtlı idi. Böyle on yıl geçmiş, kimse bir açıklama getirememişti. 1924 yılında de Broglie bulmacayı çözmüş ve dalgalar tanecikler (fotonlar) gibi hareket edebilirse, elektron gibi taneciklerin de dalga özelliğine sahip olabileceğini ileri sürdü. Yani de Broglie’a göre bir elektron, sürekli bir dalga gibi hareket edebilir idi. De Broglie, H atomunda sürekli dalga gibi davranan elektron dalgalarının yörüngesinin atomun çevresine tam olarak uyması gerektiğini önerdi. Aksi takdirde dalganın kendisini yok edeceğini öne sürdü. De Broglie teorisi dalganın tanecik gibi ve taneciklerin de dalga karakteri gösterdikleri sonucunu sağlamıştır. De Broglie teorisine göre elektron da foton gibi düşünülebilir. Elektron mikroskobunun keşfi, de Broglie teorisinin geçerliliği konusunda inandırıcı bir kanıttır. Elektron mikroskobu, elektronun dalga özelliğinin önemli bir uygulamasıdır. De Broglie’den kısa bir süre sonra J.J. Thomson un oğlu G.P. Thomson elektronun dalga özelliği gösterdiğini bulmuştur. X ışınlarında olduğu gibi elektron demetini bir altın tabakası üzerine göndererek röntgen ışınlarında olduğu gibi iç içe halkalı resimler elde etmiştir [5,20]. Heisenbergin belirsizlik prensibi, 1926; elektronların dalga hareketinin keşfi ile bir başka problem doğmuştu. Şimdi bir dalganın pozisyonu nasıl belirlenecekti? Heisenberg, elektronun hızı hassas bir şekilde ölçülürse elektronun yeri konusunda bir belirsizlik olur. Heisenberg, “elektronun yeri hassas ölçülürse, bu defa elektronun hızındaki belirsizlik artar ve bu sonuç Bohr atom teorisi ile çelişir, Bohr un düşündüğü ile uyuşmaz, çünkü Bohr, e belli bir yörünge üzerinde hareket ediyor demiştir. Eğer Bohr’un dediği doğru olsaydı, elektronun hem pozisyonu ve hem de hızı tam olarak ölçülebilmeli idi. O halde elektronun yeri ve hızı aynı anda tam olarak belirtilemediğine göre Bohr modelinde olduğu gibi belirli yörüngelerden bahsedilemez. Ancak elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu bölgelerden bahsedilebilir. O halde elektronları çekirdek etrafında belli yörüngelerde dönen tanecikler olarak değil de, elektron bulutları olarak düşünmek doğru olur” demiştir [2,5]. Kuantum mekaniği (dalga mekaniği) nin ortaya çıkması gereği; de Broglie ve Heisenberg in buluşları ile elektronun yerinin tayini gündeme gelmiştir. De Broglie tarafından elektron gibi dalga özelliği de gösteren taneciklerin hareketini tanımlamada klasik mekanik yetersiz kalmıştır. Kuantum mekaniği bu sebeple doğmuştur. Kuantum mekaniği; Planck’ın kuantum enerji paketleri kavramını, de Broglie denklemini ve Heisenberg’in belirsizlik prensibini esas almıştır [2,5]. 17 Klasik mekanik ile kuantum mekaniği arasındaki farklar; 1- Klasik mekanikteki yörünge kavramının yeri artık kuantum mekaniğinde dalga fonksiyonu almıştır. Buna göre Bohr modelindeki yörünge yerine atomik orbitallerden bahsedilir. 2- Klasik mekaniğe göre; madde ve enerji ayrı ayrı özelliklere sahiptir. Madde kesikli (sürekli değil), enerji ise süreklidir. Bu yüzden enerji sıfır olamaz. Kuantum mekaniğine göre ise bu farklar ortadan kalkmıştır. İkisi arasında [2,5]; 1. en önemli fark; kuantum mekaniğinde maddenin dalga karaktere, dalganın da tanecik karaktere sahiptir. Yani tanecik dalga özelliğine, dalga da taneciklerin bazı özelliklerine sahip olabilir. 2. en önemli fark; Planck’ın kuantum teorisine göre enerji taneciklidir, kuantlaşmıştır, yani süreksizdir, ancak belli bazı ener- YENİ TÜRKİYE 88/2016 düzeylerini veya elektron yörüngelerini tam tayin etmek için sadece baş kuantum sayısı (n) değil, aynı zamanda l, m ve s gibi üç kuantum sayısının daha gerekli olduğunu ileri sürmüşlerdir [5]. jileri alabilir, sürekli alamaz. Bu yüzden bir cismin enerjisi sıfır da olabilir. Kuantum mekaniğine göre bir ışığın ışını, bağımsız enerji paketçiklerinden, hν oluşmuştur. Bu yüzden kuantum mekaniğinde sistemin ölçülen bir büyüklüğü için kuantlıdır demek; sadece belli değerler alabilir demektir. Her ölçülen kuantlı değildir, örn., bir taneciğin uzaydaki yeri kuantlı değildir. Bir cismin enerji alış verişi enerji atomları ile yani kuantumlar ile olur. Bir enerji kuantumu (atomu) E = hν dür. Işık atomlarına foton (tanecik) denir [2,5,8]. YENİ TÜRKİYE 88/2016 18 Kuantum mekaniğini atoma uygulamak için Schrödinger kendi adı ile anılan bir dalga fonksiyonu (Schrödinger denklemi) önermiştir. Schrödinger denklemi, çok küçük taneciklerin üç boyutlu uzaydaki hareketini tanımlamak üzere önerilmiş bir diferansiyel denklemdir. Bu denklem kuantum mekaniğinin doğmasına yol açmıştır. Fizik ve kimyada bir çığır açmıştır. Denklemin önemli tarafı; parçacık (kütle) ve dalga davranışını birleştirmesidir. Schrödinger denklemi; elektronun atom içindeki hareketini tanımlar. Denklemin çözümü atomdaki bir elektronun bulunabileceği hacmi belirler. Bu hacme orbital denir. Başka bir ifade ile, denklemin çözümü sadece elektronun uzayda bulunabilme olasılığını değil, aynı zamanda enerjisinin de tayinine yarar. Orbitaller elektronların çekirdek etrafında bulunabilecekleri bölgelerdir. Elektron tanecik olarak düşünülürse orbital; atom içinde elektronun bulunma olasılığı en yüksek olduğu bölgeyi gösterir. Dalga olarak kabul edildiğinde ise elektronun yük yoğunluğundan söz edilir. Atomdaki her bir elektronun dört kuantum sayısı vardır. Bu dört kuantum sayısı elektronlar için adres bilgileri gibidir. Bir atomda dört kuantum sayısı birbirinin aynısı olan iki elektron bulunamaz, mutlaka biri farklıdır [2,5,8]. Orbitallerin şekilleri: Yukarıdan beri anlatılanlardan sonra neymiş bu orbitaller, şekilleri nasıldır diye merak eden okuyucularımızın görmesi için aşağıda sadece p orbitallerinin şekilleri verilmiştir. Bizim için önemli olan orbitallerin elektron yoğunluğu değil, şekilleri ve birbirine göre nisbi büyüklükleridir. Kuantum mekaniği ile yapılan hesaplar bize bütün s orbitallerinin küresel olduklarını, baş kuantum sayısı (n) arttıkça kürenin büyüklüğünün arttığını göstermektedir. Bunların şekilleri burada verilmemiştir. Aşağıda p orbitalleri kısaca anlatılmış ve ilgili şekilleri verilmiştir. p orbitalleri: kuantum mekaniği hesaplarına göre üç tane 2p orbitali vardır; 2px, 2py, 2pz. Bu üç orbital; şekil, büyüklük ve enerji açısından tamamen birbirinin aynıdırlar, sadece yönleri farklıdır. Örn., oksijenin 8 elektronu vardır ve bunlar orbitallere şu şekilde doldurulurlar; 1s2 2p6 veya 1s2 2 p x2 , 2 p y2 ve 2 p z2 . Görüldüğü gibi üstteki 2 lerin toplamı 8 dir. Burada oksijenin 2 elektronu s orbitaline ve diğer 6 elektron da p orbitallerine yerleşmişlerdir. Burada görülen taralı bölgeler elektronların en fazla bulundukları bölgeleri göstermektedir. Kuantum mekaniği bize böyle bir resim vermemektedir. Bu şekiller, kuantum mekaniği ile yapılan hesaplamalarından elde edilen verilerden yola çıkarak fizikokimyacı yorumu ile belirlenebilmektedir. Kuantum mekaniği işte bu yönü ile bu alanda bir çığır açmış ve hesapsal kimya denilen fizikokimyanın teorik yeni bir alt dalının doğmasına yol açmıştır. Kaynaklar [1] R.G. Mortimer. Physical Chemistry. Amsterdam, Netherland: Elsevier Academic Press, 2008. 3rd ed. [2] Fizikokimya, Prof.Dr. Ali Rıza Berkem, Prof. Dr. Sacide Baykut, Prof. Dr. Mustafa L. Berkem, İstanbul Üniversitesi Yayınları, ISBN 975-404-204-7, 1993. [4] http://www.trcitroen.com/forum/otomobil-bakimi-ve-boya-koruma/708-antifiriz-kullanimi. html [5] Fizikokimya, Prof.Dr. Yüksel Sarıkaya, Ankara Üniversitesi, Fen Fakültesi, Gazi Büro Kitabevi, 1997. [6] Josiah Willard Gibbs, “On the Equilibrium of Heterogeneous Substances”, Transactions of the Connecticut Academy of Sciences 1876. [7] Eric Herbst, “Chemistry of Star-Forming Regions”, Journal of Physical Chemistry A 109 (2005) 4017-4029. [8] Dr. Ali Rıza Berkem, “Madde ve Enerji, Atom Bombası”, İstanbul- Şirketi Mürettibiye Basımevi No. 73, 1946. [9] Prof.Dr. Ali Rıza Berkem, “Çekirdek Kimyası ve Radyokimya”, İstanbul Üniv. Yayın No: 3631, ISBN 975-404-207-1, 1992. [10] H. Kılıç*, “Ultraviolet-visible study on acid-base equilibria for some 7,8-ethylenedioxy coumarins,” Journal of Molecular Liquids, 187 (2013) 314-319. [11] H. Kılıç*, “Sunlight-exposure photodimerization behavior of some 7,8-ethylenedioxycoumarins: Experimental and theoretical evidence of photodimerization,” Journal of Molecular Liquids, 200 (2014) 238-245. [12] H. Kılıç*, and M.L. Berkem, “Electrochemical Behavior of Some New Pyrimidine Derivatives,” J. Serbian Chemical Society, 69 (2004) 689-703. [13] H. Kılıç*, and B. Er, “Potentiometric Investigation of Acid-Base Equilibria of Two New Pyrimidine Derivatives in Various Methanol–Water Media,” J. Serbian Chemical Society, 71, (2006) 43-54. [14] H. Kılıç*, “Electronic Absorption Study on Acid–Base Equilibria for Some Keto and Thioketo Pyrimidine Derivatives Experimental and Theoretical Evidence of Enolization and Solute–Solvent Interactions,” Spectrochimica Acta Part A, 67 (2007) 1210–1219. [15] H. Kılıç,* “Ultraviolet–visible Study of Tautomeric Behavior of Some Carbonyl and Thiocarbonyl Pyrimidine Derivatives: Experimental Evidence of Enolization and Thioketonization, ” Spectrochimica Acta Part A, 71 (2008) 175–185. [16] H. Kılıç*, “Electronic absorption study on acid–base equilibria for some pyrimidine derivatives containing semi- and thiosemicarbazone moiety, ” Spectrochimica Acta Part A, 75 (2010) 728–733. [17] H. Kılıç*, “Electronic absorption study on hydration, solvation behavior for some keto and thioketo pyrimidine derivatives,” Spectrochimica Acta Part A, 104 (2013) 328–336. [18] [(invited) E. Bulut, D. Wu, H. Kilic, and S.R. Brankovic, “Reaction Kinetics of Metal Deposition via SLRR of UPD ML Studied By Surface Reflectivity Measurements”, 228th The Electrochemical Society Meeting, 2015, October 11-15th, Phoenix, AZ. [19] (invited) E. Bulut, D. Wu, H. Kilic, and S.R. Brankovic, “SLRR of UPD Monolayers – Fundamental Aspects and Interplay of UPD, Reaction Kinetics, and Nucleation”, 66th International Society of Electrochemistry Annual Meeting, 2015, October 4-9th, Taipei, Taiwan. 19 [20] Genel Kimya, Prof. Dr. Hikmet Savcı, Prof. Dr. Musa şahin, Yrd. Doç.Dr. Hale Bayram, Yrd. Doç.Dr. Ali Rıza Özkaya, Yrd.Doç.Dr. Ümit Salan, Marmara Üniversitesi Yayın No: 568, 2. Baskı, 1998. [21] http://www.fenodevi.com/9sinif-kimya-konulari/rutherford-atom-modeli [22]http://bilgiyelpazesi.com/egitim_ogretim/ konu_anlatimli_dersler/fen_ve_teknoloji_dersi_konu_ anlatimlar/atom_atomun_yapisi_kisimlari_bolumleri_2.asp YENİ TÜRKİYE 88/2016 [3] Alexander Vucinich, “Science in Russian culture”, Stanford University Press 1963 sayfa 388. ISBN 0-8047-0738-3.
