Periyodik Sistem.

Elementlerin Periyodik Tablosu
Perİyodİk SİstemGİRİŞ

Maddelerden yararlanmak, zararlı olanlardan korunmak için özelliklerini bilmeliyiz Görünüşü nasıl? Yanıcı mı? Sert mi? Suda çözünüyor mu? Elektriği iletiyor mu? 1 Bölümde çevremizdeki maddelerin element, bileşik ve karışım şeklinde bulunduğunu incelemiştik Bu bölümde önce elementlerin sınıflandırılmasını inceleyeceğiz

41 ELEMENTLERİN SINIFLANDIRILMASI

Elementlerin ve oluşturdukları bileşiklerin özelliklerinin tek tek incelenmesi, sonuçların akılda tutulması hem çok zaman alıcı, hem de gereksizdir İnsanoğlu çok eskiden beri tanıdığı elementleri (altın, gümüş, bakır, cıva, çinko, kükürt) sınıflandırmaya çalışmıştır Bu sınıflandırma çalışmaları, elementlerin periyodik tablosunun keşfiyle sonuçlanmıştır Elementleri sınıflandırma çalışmaları, yalnız zaman ve emek yönünden değil, doğada olduğu halde tanınmayan bazı elementlerin daha tanınmadan öngörülmesini sağlamıştır
Günümüzde 112 element biliniyor Bunlar metal ve ametal olmak üzere iki büyük sınıfa ayrılır Elementlerin çoğu (yaklaşık yüzde 80'i) metaldir Bir de çoğu özellikleri metallere yakın olan yarı-metaller (metalimsiler) vardır: Bor (B), silisyum (Si) ve germanyum (Ge) önemli yarı-metallerdir

(a) Metaller ve Ametaller

Metal atomlarının temel özelliği, değerlik orbitallerinde "az sayıda" elektron bulunması ve bu elektronların da "son derece hareketli" olmasıdır Metallerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, işte bu "oynak" elektron yapısıyla açıklanabilir

Metaller
Metalik özelliğin en çok gözleneni, ışığı yansıtıcılık yani parlaklıktır Altın, bakır, bizmut, mangan gibi renkli birkaç metalin dışındaki metallerin yüzeyleri gümüş beyazı gibi parlaktır (41 Resim)

41 RESİM
Bazı metaller (çinko, gümüş ve bakır)

Metalik parlaklığın nedeni, metal yüzeyine düşen ışığın tüm bileşenlerinin yansıtılmasıdır Metallerin çoğunun parlak görünmesi, onların elektron yapısında bir benzerlik olduğunu gösterir
Metallerin diğer bir özgül davranışı, elektriği çok iyi iletmeleridir Metallerin elektriksel iletkenliği sulu çözeltilerin (tuzlu su, asitlisu, bazlı su) iletkenliğinden olağanüstü büyüktür Buna göre metallerin iletkenliği ile çözeltilerin iletkenliği farklı taneciklerle olmaktadır En iyi iletkenler bakır, gümüş ve altındır
Metaller, ısı enerjisini de iyi ileten elementlerdir Bir odada bulunan tahtaya ve metal eşyaya dokunduğunuzda ne hissettiğinizi düşününüz Metal, daha soğuk gelir; çünkü elinizin sıcaklığını düşürür (ısı transferiyle)
Metaller, tel ve levha oluşturmak üzere işlenebilir (çekiçle dövülebilir) Örneğin tuz gibi kırılgan değildir
Cıva dışındaki tüm metaller oda sıcaklığında katıdır Cıva -390C'de erir Erime ve kaynama noktası en yüksek olan element tungsten (wolfram)dır Erime noktası 34100C, kaynama noktası 56600C'tur
Metaller, kendi aralarında alaşım denen metalik katılar oluşturur 42 Resimde bakır ve kalaydan oluşan bronz bir heykel görüyorsunuz Çelik denen alaşım, saf demire az miktarda karbon ve az miktarda nikel veya mangan katılarak; pirinç denen alaşım saf bakıra yarısı kadar çinko eklenerek oluşturulur Metallerin ve ametallerin özellikleri 41 Tabloda verilmiştir 42 RESİM
Bronzdan bir hayvan figürü
Horoztepe’de (Tokat) bulunmuştur İÖ 2100’e tarihleniyor (Boston Sanat ve Kültür Müzesi)

Ametaller
Bu elementler, hidrojen (H2), karbon (C), azot (N2), oksijen (O2), flor (F2), klor (Cl2) brom (Br2), iyot (I2), fosfor (P4), kükürt (S8), selenyum (Se) ve soy gazlar (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) dır Soy gazlar, ametallerin özel bir ailesidir Çünkü soy gazlar, bileşik oluşturma gücü çok düşük elementlerdir Bugüne dek yalnızca kripton ve ksenonun florla ve oksijenle yaptığı bileşikler elde edilebilmiştir
Ametallerin özellikleri, önemli ölçüde metalik özelliklerin karşıtıdır Görünüşleri mattır Bu da üzerlerine düşen beyaz ışığın bazı renklerini yansıttığını, bazılarını da soğurduğunu gösterir Maddelerin rengi, yansıttığı ışığın rengidir
Ametaller, elektriği ve ısıyı iyi iletmez Bunun tek istisnası, karbonun bir allotropu olan grafittir Kurşun kalemlerinizin içi büyük ölçüde grafit içerir 43 Resimde karbonun iki allotropu olan grafit ve elmas; 44 Resimde ise karbonun başka bir allotropu karbon-60 molekülü görülüyor
60 karbon atomundan oluşankarbonun yeni bir allotropu (Karbon-60 molekülü 1985’tekeşfedilmiştir Örgü noktalarındaki karbon atomları, bir futbol topu üzerindeki beşgen ve altıgen köşelerindeki noktalara karşılıktır)

Ametallerin çoğu moleküler yapılıdır Oda koşullarında yalnızca brom sıvı, iyot, fosfor, kükürt ve karbon katı, diğerleri gaz halindedir
Soy gazlar dışındaki ametaller elektron alma eğilimi, verme eğiliminden yüksek elementlerdir Bu nedenle metallerden elektron alarak iyonik bileşikleri, kendi aralarında ise elektron ortaklığı yaparak moleküler bileşikleri oluşturur Hidrojen klorür (HCl), hidrojen sülfür (H2S), metan (CH4) gibi

Elementlerin periyodik sistemi, 1869'da bulunduAtomların çekirdeklerinde proton ve nötron bulunduğunu biliyoruz Proton ve nötronlara, "çekirdeği oluşturanlar" demek olan "nükleonlar" da denir Belirli bir elementin bütün atomlarında aynı sayıda proton bulunduğunu; ama nötron sayısının farklı olabileceğini biliyoruz Yine protonun birim pozitif yükte, elektronun birim negatif yükte ve nötronun da yüksüz olduğunu anımsayalım Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısına, atom numarası (Z) denir Atom numarası, aynı zamanda o atomun elektron sayısını ve o atomun hangi elemente ait olduğunu bildirir Atom yüksüz (nötr) iken proton sayısının elektron sayısına eşit olması gerekiyor ve atomun kimyasal özelliklerini, atom numarası belirliyor Kimyasal özellikler, atomların elektronları arasındaki ilişkilerin ifadesidir; yani elektronların alış verişi ve ortak kullanımıdır

Aynı elemente ait atom çekirdeklerinde, proton sayıları aynıdır;ama bu atomlarda nötron sayıları farklı olabilir Aynı elemente ait farklı kütleli böyle atomlara o elementin izotopları denir Doğadaki elementlerin büyük çoğunluğu, birden fazla izotop içerir Çekirdekteki proton ve nötron sayılarının topl****** kütle numarası (A) denir ve herhangi bir izotop genellikle; simgesinin sol alt tarafında atom, sol üst tarafında da kütle numarası indisleriyle gösterilir Kütle numarası terimi, atom kütlesinin çok büyük çoğunluğunun atom çekirdeğinde yani proton ve nötronlarda bulunduğunu belirtmesi anlamında önemlidir Bilindiği gibi bir proton ile bir nötron kütlesi hemen hemen birbirine eşit (nötronunki azıcık fazla) ve bunların her biri yaklaşık 1840 elektron kütlesi kadardır!

Atom Kütleleri

Doğadaki herhangi bir elementin 'atom kütlesi,' tüm izotoplarının atom kütlelerinin, katkı yüzdeleriyle çarpılıp toplanmasıyla, yani ağırlıklı bir ortalama alınarak hesaplanır Bugün biliyoruz ki bir elementin atom kütlesi, yalnızca çekirdeğindeki proton ve nötronların kütlelerinin basit bir toplamından ibaret değildir Çekirdeğin iç enerjisinden de (bağlanma enerjisinden) bir katkı alır Dolaysıyla atom kütlelerinin bir tam sayı olması beklenemez Elementler tablosunda verilen atom kütlelerinin kesirli sayılar şeklinde olması, daha çok bu yüzdendir Bir de her element atom kütlesinin karbon-12 izotopunun kütlesinin tam 12 alınarak, bu standart ışığında diğer atom kütlelerinin belirlenmesidir Bir karbon-12 atomunun kütlesinin 12'de biri standart seçilmiş ve buna 1 atomik kütle birimi (1 akb) denmiştir Buna göre 1 mol C-12 atomunun kütlesi tam 12 gramdır Buna karşılık 1 mol C-13'ün kütlesi 13 gram değildir Bugün kullanılan atom kütleleri, bu standart birime ve izotopların kütleleri ve bolluk yüzdelerine bağlı niceliklerdir

Periyodik Tablo

Şimdi elementler tablosunu oluşturmaya başlayalım llk element, Z=1 olan hidrojendir Doğadaki hidrojen atomlarının çoğunluğu, 1 proton ve onun çevresindeki bir elektrondan oluşur Sonra bu hidrojen atomunun çekirdeğine bir nötron ekleyelim, döteryum denen bir izotop oluşur Buna da bir nötron ekleme olanağı vardır;ama bu çekirdek pek uzun süre yaşamaz Bir proton, ikin nötron içeren bu kararsız çekirdeğin adı da trityumdur Atom çekirdeklerine nötron eklemenin kimyasal özelliklerde pek değişiklik yaratmadığı anlaşılıyor Fakat bir çekirdeği proton eklendi mi durum kökten değişir

Hidrojen ve Helyum Üzerine Bir Gazel

Periyodik tabloyu ilk olarak keşfeden Menleyeev, "periyodik tablonun hidrojen ile başlayacağı hiç aklıma gelmemişti" der Oysa bugün herkes için hidrojenden daha küçük atom olmadığı açık bir olgudur Bir hidrojen atomu alıp, çekirdeğine bir proton daha ekleyelim Bu pratikte neredeyse hidrojen bombası yapmak demeye gelir; ama biz kağıt üzerinde çalışıyoruz İşimiz kolay! Şimdi çekirdeğin yükü 1 arttığından, 1s orbitalindeki tek elektron, daha büyük bir kuvvetle çekilmektedir ve yarıçap, hidrojene göre küçülür Dolayısıyla He+ iyonu elde edilmiş olur

1s orbitaline bir elektron daha konduğunda, nötür helyum atomu elde edilecektir Bu ikinci elektron çekirdeğin yükünü, yaklaşık olarak +1 görür ve sanki hidrojen atomunun 1s yörüngesine yerleşmiş gibidir 1s orbitaline yerleşen iki elektron zıt spinlidir Ne beklersiniz? Helyum atomunun çapı hidrojen atomuna göre büyür mü,küçülür mü? Deneyler, helyum atomunun çapının hidrojen atomunun çapına göre daha büyük olduğunu gösteriyor Bir periyottaki soygaz sapması yalnız buradadır Yani 2 ve daha yüksek numaralı periyotlarda soygaz atomlarının çapı en küçüktür

Lityum,Li(Z=3)

Şimdi nötür bir helyum atomu alıp, çekirdeğine bir proton eklersek, elektronlar çekirdeğe biraz daha yaklaşır Dışarıyla karşı net yük, 1s2 elektronlarının kamuflajı nedeniyle, +1 olarak görünmektedir Ortaya Li+ iyonu çıkmıştır ve nötür atomu verecek olan üçüncü elektron, 2s orbitaline yerleşmek durumundadır Gerçi bu üçüncü elektron, +1 yüklü bir hidrojen çekirdeği görür gibidir Fakat yeni bir yörünge kabuğuna oturmak zorunda olduğundan, 1s2 elektronları çekirdeğe yaklaşmış olsalar dahi, atomun yarıçapı sonuç olarak büyür Çünkü her yeni kabuk devreye girdiğinde; atomun yarıçapında yer alan büyüme, çekirdek yükünün artışından kaynaklanan küçülmeye oranla baskındır Sonuç olarak Li'un elektron dağılımı, 1s22s1 olur 1s2 elektronlarının spinleri zıt yönlerde olup birbirini götürdüğünden, 2s1 elektronunun spini eşleşmemiş kalır Atom bir manyetik alana yerleştirildiğinde, bu spinin, alan yönüne paralel veya zıt olmasına göre, atomun enerji düzeyi biraz değişir

Bu şekilde devam ederek, diğer element atomlarının elekron dağılımlarını birer birer elde edilebilir Örneğin, lityumdan sonra gelen berilyum elektron dağılımı 1s22s2, borun ise 1s22s22p1 dir Borondaki eşleşmemiş olan 2p1 elektronunun spini, bir manyetik alanın varlığında, yörünge açısal momentumundan (l) bağımsız bir tepki vermek yerine, önce onunla birleşmek ('coupling') eğilimindedir 'Spin yörünge birleşmesi' denilen bu olgunun sonucunda ortaya çıkan toplam açısal momentum j; l-½ veya l+½ değerlerini alabilir Bu toplam açısal momentumun manyetik alan yönündeki bileşeni (m) ise; kuantum sıçramaları gösterir ve -j ile +j arasındaki 2j+1 adet değerden (-j, -j+1, j-1, j), herhangi birine sahip olabilir Toplam açısal momentumun manyetik alana göre bu farklı yönelişleri, elektronun enerji düzeyini, az da olsa değiştirir Dolayısıyla, aynı bir tek (n, l) çifti için; m değeri arttıkça yükselen, farklı enerji düzeyleri söz konusu hale gelir Buna bir enerji düzeyinin ayrışması ('splitting') denir "Manyetik alan nereden çıktı?" diyecek olursanız; elektronların yörünge hareketi akım anlamına geldiğinden, dış elektronlar açısından; iç elektronların yol açtığı böyle bir manyetik alan, şiddeti zayıf da olsa, elektron sayısı birden büyük ve tek olan hemen her atomda vardır

Son olarak bir de, karbon atomuna bakalım Nötür bir boron atomunun çekirdeğine bir proton daha ekleyip, Z=6'ya çıktık diyelim Elimizde bir C+iyonu var ve nötür karbon atomunu elde etmek için, 1s22s22p1 yörünge şemasına bir elektron daha eklemek durumundayız En dıştaki 2p grubunda 3 yörünge var ve bunlardan birinde halen bir elektron bulunuyor Yeni gelen elektron, bu elektronla aynı yörüngeyi paylaşabilir Ancak Pauli'nin dışlama ilkesine göre, spinlerin zıt yönlerde olması gerekir Halbuki bu durumda iki elektron, iç elektronların oluşturduğu manyetik alan içerisinde, zıt yönlerde duran iki mıknatıs gibi olacaktır Gerçi mıknatıslar; kendilerininkinden daha güçlü bir dış manyetik alanın yokluğunda, zıt yönlerde konumlanarak, toplam potansiyel enerjilerini azaltmak eğilimindedirler Ancak böyle bir dış manyetik alan varsa eğer, toplam potansiyel enerjinin azaltılması açısından, mıknatısların birbirlerine göre yönelişleri öneminden kaybedip, ikinci plana düşer ve mıknatısların her ikisi de, dış manyetik alanın tersi yönde, yani birbirlerine paralel şekilde konumlanmayı tercih ederler Dolayısıyla, yeni gelen elektron; 2p1 elektronuyla aynı yörüngeyi paylaşmak uğruna spinini zıt yönlendirmek yerine; bir diğer 2p yörüngesine yerleşerek, spinlerin paralel kalmasını sağlar Böylelikle; negatif işaret taşıyan potansiyel enerjisini arttırıp, toplam enerjisini azaltmış olur Aynı nedenle, 1s22s22p3 yörünge şemasına sahip bulunan nitrojen atomunun 2p grubundaki üç elektronu, farklı 2p yörüngelerinde oturur Ancak sıra 1s22s22p4 şemasına sahip oksijene geldiğinde, 2p grubundaki dördüncü elektron; çok daha yüksek enerjili n=3 kabuğuna geçmektense, diğer üçünden biriyle aynı yörüngeyi paylaşmaya razı olur Spini, diğerininkine zıt yönde olmak kaydıyla

Ayrıntıymış gibi görünen bu değerlendirmeler bize, kimyada elementlerin yörünge dizilimlerinin inşasında kullanılan ve bulucusunun adıyla 'Hundt kuralı' olarak anılan güçlü bir anahtar veriyor: Herhangi bir l≥2 yörünge grubuna elektronların yerleştirilmesi sırasında; önce her yörüngeye, spinleri paralel birer elektron yerleştirilir ve grupta başka yörünge kalmayınca, ters spinli elektron eşleştirmelerine geçilir Elementlerin elektron dizilimiyle ilgili, bir kural veya kuralsızlık daha var

Enerji kuantum sayısının, n=1'den başlayarak artan değerlerine karşılık gelen yörünge kabuklarına, tarihsel kullanımdan gelen alışkanlıkla, sırasıyla K, L, M, N kabukları deniyor Hidrojen atomunda, birbirini izleyen kabuklar arasındaki enerji aralığı; iki kabuktan herhangi birinin içinde yer alan farklı alt yörünge grupları arasındaki enerji farkından daha büyük oluyor Fakat daha önce de sözünü ettiğimiz gibi, diğer elementlere ait yörüngelerin enerji düzeyleri; bir yandan çekirdek yükünün artması, diğer yandan bu yükün bir kısmının iç elektronlar tarafından kamufle ediliyor olması nedenleriyle, hidrojendekinin aynı olamıyor Bu durum, elektronların spin ve açısal momentum aracılığıyla etkileşime girmeleri sonucu; özellikle daha kalabalık olan yörünge gruplarında, daha da karmaşıklaşıyor O kadar ki; örneğin belli bir kabuktaki d ve f yörüngelerinin enerji düzeyleri, bir veya daha sonraki kabuğun içine kayacak kadar artabiliyor