If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Bağlandığınız bilgisayar bir web filtresi kullanıyorsa, *.kastatic.org ve *.kasandbox.org adreslerinin engellerini kaldırmayı unutmayın.

Ana içerik

Konu: AP®︎/Üniversite Kimya > Ünite 1

Ders 5: Atom Yapısı ve Elektron Dizilişi
Fen
AP®︎/Üniversite Kimya
Atom Yapısı ve Özellikleri
Atom Yapısı ve Elektron Dizilişi
© 2024 Khan AcademyKullanım ŞartlarıGizlilik PolitikasıÇerez Politikası

Periyodik Tablo, Elektron Kabukları ve Orbitaller

Google Classroom

Giriş

Kimya derslerinize çalışırken bazı tekniklerden yararlanarak elementlerin ismini ezberlemiş olabilirsiniz. Bu oldukça etkileyici bir yetenek sayılır.
Peki, tüm elementlerin isimlerini ezberlediniz diyelim. Bu, bir daha hiçbir zaman periyodik tabloya ihtiyacınız olmayacağı anlamına gelir mi? Maalesef, hayır. Çünkü periyodik tablo sadece bütün elementleri barındıran sıkıcı bir kaynaktan çok, bir dosyalama sistemi niteliğindedir. Elementlerin periyodik tablodaki konumları, o elementlerin yapıları, özellikleri ve kimyasal tepkimelerdeki davranışları hakkında bilgi verir. Daha da net olmamız gerekirse, bir elementin periyodik tablodaki yeri, o elementin elektron dizilimini, yani elektronların elementin çekirdeği etrafında nasıl sıralandıklarını belirlemenize yardımcı olur. Atomlar kimyasal tepkimelere girmek için elektronlarını kullanırlar; bu sebeple, bir elementin elektron dizilimini bilmek, o elementin reaktifliğini (diğer atomların elementleriyle etkileşim kabiliyetini) bilmenize olanak sağlar.
Bu bölümde, periyodik tabloyu, atomların elektronlarını nasıl düzenlediklerini ve bu bilgilerin elementlerin reaktifliklerini tahmin edebilmemize nasıl yardımcı olduğunu daha detaylı olarak inceleyeceğiz.

Periyodik tablo

Elementler, davranışlarındaki önemli benzerlikleri ortaya koyan bir yapı olan periyodik tabloda düzenlenmişlerdir. Rus kimyager Dimitri Mendeleyev (1834-1907) tarafından 1869'da oluşturulan bu tablo, elementleri çeşitli özelliklerin paylaşıldığı sütunlara (gruplara) ve satırlara (periyotlara) yerleştirir. Bahsi geçen bu özellikler, elementlerin oda sıcaklığındaki fiziksel hallerini (gaz, katı veya sıvı) ve kimyasal reaktifliğini (diğer atomlarla kimyasal bağ kurabilme yeteneğini) belirler.
Periyodik tablo elementlerin atom numaralarını sıralamaya ek olarak, aynı zamanda bir elementin bağıl atom kütlesini (elementin doğada bulunan izotoplarının ortalama kütlesini) de gösterir. Mesela hidrojeni ele alalım: Sembolü (H), elementin adı, atom numarası (1) ve bağıl atom kütlesi (1,01) olarak periyodik tablonun sol üst köşesinde yer alır.
Elementlerin periyodik tablosu
Görsel hakları: uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology. Periyodik tablonun erişilebilir bir versiyonuna buradan ulaşabilirsiniz.
Elementlerin kimyasal reaktifliğindeki farklar, elektron sayılarına ve dağılımlarına bağlıdır. Eğer iki atom birbirini tamamlayan elektron dizilimlerine sahipse, bu atomlar tepkimeye girip, bir bileşik veya molekül oluşturmak üzere kimyasal bağlar kurabilirler. Aşağıda göreceğimiz üzere, elementler, periyodik tabloda elektron sayılarını ve elektronlarının dizilimlerini yansıtacak şekilde sıralanırlar. Böylece, bir elementin reaktifliği ve hangi elementlerle ne şartlarda bağ kurmaya yatkın olduğu tahmin edilebilir.

Elektron kabukları ve Bohr atom modeli

İlk atom modellerinden biri, 1913'te Danimarkalı bilim insanı Niels Bohr (1885-1962) tarafından oluşturuldu. Bohr Atom Modeli, atomu, protonlara ve nötronlara sahip olan merkezi bir çekirdek olarak gösterir. Bu modele göre elektronlar, tıpkı Güneş'in etrafında dönen gezegenler gibi, çekirdeğe belirli uzaklıklarda bulunan dairesel elektron kabuklarında yer alırlar. Her bir elektron kabuğunun enerji seviyesi farklıdır: Çekirdeğe yakın olan kabukların enerji seviyeleri, çekirdeğe uzak olanlara göre daha düşüktür. Genel olarak, tüm kabuklar kendilerine özel bir sayı ve "n" sembolü ile gösterilirler. Örneğin, çekirdeğe en yakın olan elektron kabuğunun ismi "1n"dir. Bir elektronun kabuklar arasında geçiş yapabilmesi için, geçiş yapacağı kabuklar arasındaki enerji farkına eşdeğer olan miktarda enerji almalı veya vermelidir. Örneğin, eğer bir elektron bir fotondan enerji alırsa uyarılmış duruma geçip, enerji seviyesi daha yüksek olan bir kabuğa geçebilir veya tam tersine, uyarılmış bir elektron enerji seviyesi daha düşük olan bir kabuğa geçerse de çoğunlukla ısı biçiminde enerji verir.
Atomun Bohr modeli enerji seviyelerini, çekirdeği merkez alan iç içe geçmiş çemberlerle gösterir. Bir elektronu dışarıdaki daha yüksek enerji seviyesine taşımak için enerji eklenmesi gerekir ve bir elektron yüksek enerji seviyesinden merkeze daha yakın bir yere düşerken de enerji açığa çıkar.
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology
Tıpkı fizik kurallarına tabi olan diğer şeyler gibi, atomlar da en az enerjili ve en kararlı elektron dizilimini sağlamaya çalışırlar. Bu durum, elektronların, bir atomun elektron kabuklarına içten dışa doğru dizilmelerine sebep olur. Öncelikle çekirdeğe en yakın olan az enerjili kabuklara yerleşir, daha sonra yüksek enerjili kabukları doldururlar. Çekirdeğe en yakın olan kabuk "1n", iki elektron taşıyabilir. "2n" 8 adet, "3n" ise 18 adet elektron taşıyabilme kapasitesine sahiptir.
Bir atomun en dış kabuğundaki elektron sayısı, atomun reaktifliğini yani diğer atomlarla kimyasal bağ kurabilme yatkınlığını yansıtır. En dıştaki bu kabuğa değerlik kabuğu, bu kabukta bulunan elektronlara da değerlik elektronları adı verilir. Atomlar, genellikle en dış kabukları dolu olduğunda en kararlı hallerini alırlar ve bu durumdaki reaktiflikleri de daha azdır. Biyolojide önemli kabul edilen çoğu element, kararlı halde olmak için en dış kabuklarında 8 elektrona ihtiyaç duyar. Bu kurala oktet kuralı adı verilir. Bazı atomların değerlik kabukları 18 elektron taşıyabilen 3n kabuğu olsa da oktetle kararlı durumda olabilirler. Bu durumun sebeplerini birazdan elektron orbitallerinden bahsederken inceleyeceğiz.
Bazı nötr atomlara örnekler ve bu atomların elektron dizilimleri aşağıda gösterilmektedir. Tabloda, helyumun ilk ve tek elektron kabuğu olan "1n" kabuğunda iki elektron bulunduğu görülebilir. Benzer şekilde, neon da 8 elektron taşıyan dolu "2n" kabuğuna sahiptir. Bu elektron dizilişleri helyumu ve neonu oldukça kararlı yapar. Argon her ne kadar tamamıyla dolu bir dış kabuğa sahip olmasa da (çünkü "3n" kabuğu 18 elektron alabilir), tıpkı neon ve helyum gib kararlıdır çünkü "3n" kabuğunda 8 elektron barındırır ve oktet kuralına uyar. Buna karşın, klorun en dış kabuğunda 7, sodyumun en dış kabuğunda ise yalnızca 1 elektron bulunur. Bu dizilişler, klor ve sodyumun en dış kabuğunun dolu olmadığını veya bu iki elementin oktet kuralına uymadığını gösterir. Böylece klor ve sodyum reaktif elementler olarak kabul edilir, yani daha kararlı bir dizilişe geçebilmek için elektron almaya veya vermeye hazırdırlar.
Çeşitli elementlerin Bohr diyagramları
Görsel hakları: OpenStax Biology

Elektron dizilimleri ve periyodik tablo

Elementler, periyodik tabloda atom numaralarına (proton sayıları) göre sıralanmışlardır. Nötr bir atomun, elektron sayısı proton sayısına eşittir; bu da elektron sayısını, atom numarasından kolaylıkla bulabileceğimiz anlamına gelir. Ayrıca, bir elementin periyodik tablodaki konumu (hangi grupta (sütun) ve periyotta (satır) olduğu), o elementin elektron dizilimi hakkında bilgi verir.
Periyodik tabloda, yaşam için önemli olan elementlerin bulunduğu ilk üç periyodu incelersek, her bir sıra yani periyodun, farklı bir elektron kabuğunun doldurulduğunu gösterdiğini görebiliriz. Örneğin, helyum ve hidrojen elektronlarını "1n" kabuğuna yerleştirir. İkinci periyottaki elementlerden Li, "2n" kabuğunu doldurmaya başlar. Üçüncü periyottaki elementlerden Na ise "3n" kabuğunu doldurur. Benzer şekilde, bir elementin grup numarası ya da hangi sütunda yer aldığı da, o elementin değerlik elektron sayısı ve reaktfliği hakkında bilgi verir. Genellikle, aynı gruptaki elementlerin değerlik elektron sayıları eşittir ve periyotlarda (satırda) soldan sağa gidildikçe değerlik elektron sayısı artar. 1. gruptaki elementlerin 1 adet değerlik elektronları bulunurken, 18. grup elementlerinin 8 değerlik elektronu bulunur (helyum hariç; helyumun toplamda iki elektronu vardır). Dolayısıyla, grup numarası, elementlerin reaktiflik seviyesini tahmin edebilmek için yararlı bir araçtır:
  • Helyum (He), neon (Ne) ve argon (Ar) 18. grup elementleridir. Dış elektron kabukları tamamen doludur veya oktet kuralına uyarlar. Bu özellikleri onları oldukça kararlı yapar. Kararlı yapıları (reaktif olmamalarından) sebebiyle, bu elementler soygaz veya asal gaz olarak adlandırılırlar.
  • Hidrojen (H), lityum (Li) ve sodyum (Na) 1. grup elementleridir. Dış elektron kabuklarında sadece 1 elektron bulundururlar. Tek atom halinde oldukça kararsızdırlar, ancak değerlik elektronlarından birini vererek veya paylaşarak kararlı hale geçebilirler. Eğer bu elementler bir elektronlarını tamamen kaybederlerse (lityum ve sodyumda olduğu gibi), pozitif yüklü iyonlar haline gelirler: Li+ ve Na+.
  • Flor (F) ve klor (Cl) 17. grup elementleridir. En dış kabuklarında yedi elektron bulunur. Kararlı oktet durumuna geçebilmek için başka atomlardan bir elektron alma eğilimindedirler. Böylece negatif iyonlar oluştururlar: F− ve Cl−
  • Karbon (C) 14. grup elementidir. Dış kabuğunda 4 elektron bulunur. Karbon, dolu bir değerlik kabuğu elde edebilmek için pek çok diğer atomla bağ kurarak elektronlarını paylaşır.
Örneklerde de görüldüğü üzere, grup numaraları elementlerin değerlik kabuklarındaki elektron sayılarını belirtir. Bu bilgi de, o elementin reaktiflik seviyesini anlamamıza yardımcı olur.

Alt kabuklar ve orbitaller

Bohr Modeli birçok elementin reaktifliğini ve kimyasal bağlarını açıklamak için yeterlidir, ancak elektronların çekirdeğin etrafındaki boşluğa nasıl yayıldıklarını tam anlamıyla tanımlayamayabilir. Elektronlar aslında çekirdeğin etrafında daireler çizmezler. Bunun yerine, zamanlarının büyük bir bölümünü elektron orbitalleri adı verilen, çekirdeğin etrafındaki boşlukta bulunan ve bazen karmaşık şekillerde olan bölgelerde geçirirler. Bir elektronun anlık olarak bulunduğu yeri tahmin edebilmemiz mümkün değildir, ancak elektronun büyük ihtimalle içinde bulunduğu boşluğun (vaktinin %90'ını geçirdiği yerin) hacmini matematiksel olarak hesaplayabiliriz. Bu muhtemel bölge aslında bir orbitaldir ve her bir orbital 2 elektron barındırabilir.
Peki, matematiksel olarak tanımlanan bu orbitaller ile Bohr Atom Modeli'ndeki elektron kabukları arasında nasıl bir bağlantı bulunuyor? Her bir elektron kabuğunu, bir veya daha fazla orbitalden oluşan alt kabuklara ayırabiliriz. Alt kabuklar s, p, d ve f harfleriyle gösterilir; bu harflerin her biri farklı bir şekli tanımlar. Örneğin, s alt kabuklarında, küre şeklinde tek bir orbital bulunur. p alt kabukları ise birbirine dik dambıl şeklinde orbitaller içerir. Biyoloji biliminin merkezinde olan karbon içeren bileşiklerle uğraşan organik kimyada, çoğu kez s ve p alt kabuklarında bulunan elektronlar arasındaki etkileşimler işlenir. Bu yüzden s ve p alt kabukları en yakından tanınması gereken alt kabuklardır. Ancak, fazla elektrona sahip olan atomlar elektronlarından bazılarını d ve f alt kabuklarına yerleştirebilirler. d ve f alt kabukları daha karmaşık şekillere sahiptir ve sırasıyla 5 ve 7 orbital içerirler.
Dairesel 1s ve 2s orbitallerinin ve dambıl şekilli 2p orbitallerinin 3 boyutlu diyagramı. Toplamda, birbirlerine dik açı ile konumlanmış üç 2p orbitali bulunur.
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology
İlk elektron kabuğu olan "1n", tek bir 1s orbitaline karşılık gelir. 1s orbitali çekirdeğe en yakın ve elektronların doldurmaya başladığı ilk orbitaldir. Hidrojenin sadece bir elektronu olduğu için, 1s orbitalinde sadece bir konum doludur. Tüm bunlar, kısaltılmış bir biçimde elektron dizilimiyle şu şekilde gösterilebilir: 1s1. Bu gösterimde, s'nin üzerindeki 1, 1s orbitalinde tek bir elektron bulunduğunu gösterir. Öte yandan, helyumun iki elektronu vardır ve bu sayede 1s orbitaline iki elektron yerleştirebilir. Bu durumu da, 1s2 dizilimiyle ifade edebiliriz. Az önce olduğu gibi, s'nin üzerindeki 2, helyumun 1s orbitalinde iki elektron bulunduğunu temsil eder. Periyodik tabloda ilk periyotta (satırda) sadece hidrojen ve helyum bulunur. Bu da, yalnızca ilk kabuklarında elektron olduğuna işaret eder. Hidrojen ve helyum, nötr yani yüksüz hallerinde yalnızca 1s orbitallerinde elektron bulundurabilen elementlerdir.
İkinci elektron kabuğu olan "2n", bir adet küre şeklinde s orbitali ve üç adet dambıl şeklinde p orbitaline sahiptir. Orbitallerin her biri, daha önce de bahsedildiği üzere, iki elektron taşıyabilir. 1s orbitali dolduktan sonra ikinci elektron kabuğu dolmaya başlar. Elektronlar öncelikle 2s orbitalini, daha sonra da üç adet bulunan p orbitallerini doldururlar. Periyodik tablonun ikinci periyodunda bulunan elementler elektronlarını hem "2n" kabuğuna, hem de "1n" kabuğuna yerleştirirler. Örneğin, lityum (Li) üç elektrona sahiptir. Bunlardan iki tanesi 1s orbitaline, üçüncüsü ise 2s orbitaline yerleşir. Böylece lityumun elektron dizilimi 1s2 2s1 şeklinde ifade edilir. Öte yandan, neonun (Ne) toplamda 10 elektronu vardır. İki tanesi en içteki 1s orbitaline yerleşir; geriye kalan sekiz elektron da ikinci kabuğu doldururlar: 2s orbitalinde ve üç p orbitalinde ise ikişer elektron bulunur. Neonun elektron dizilimi de böylece şu şekilde gösterilir: 1s2 2s2 2p6. Neonun "2n" kabuğu tamamıyla dolu olduğu için, enerjik olarak kararlıdır ve diğer atomlarla kimyasal bağ kurma eğiliminde değildir.
Üçüncü elektron kabuğu "3n", bir adet s orbitaline ve üç adet p orbitaline sahiptir. Periyodik tabloda üçüncü periyottaki elementler elektronlarını bu orbitallere yerleştirirler (tıpkı ikinci periyottaki elementlerin "2n" kabuğuna elektron yerleştirmeleri gibi). "3n" kabuğu aynı zamanda bir de d orbitali içerir. Ancak bu orbital, 3s ve 3p orbitallerine göre çok daha yüksek enerjilidir ve periyodik tablonun dördüncü periyoduna ulaşana kadar dolmaya başlamaz. Üçüncü periyot elementlerinin (örneğin argon) sadece sekiz adet değerlik elektron ile kararlı durumda olabilmelerinin sebebi de budur: "3n" kabuğu tamamen dolu olmamasına rağmen s ve p alt kabukları tam doludur.
Elektron kabukları ve orbitaller arasında yakın bir ilişki vardır. Bu noktada, elektronların bulunduğu bölgenin şeklini ve konumunu da belirttikleri için orbitaller bir atomun elektron dizilimi hakkında daha doğru fikirler verebilirler.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap
İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.