atom-ve-elektrik1

KİMYA 10
ÜNİTE-1: ATOMUN YAPISI
I. BÖLÜM: Atom ve Elektrik
II. BÖLÜM: Atom Modellerinin Tarihsel Gelişimi
III. BÖLÜM: Kuantum (Dalga) mekaniğinin Tarihsel
Gelişimi
IV. BÖLÜM: Atomun Kuantum Modeli
V.BÖLÜM: Bağıl Atom Kütlesi ve Mol Kavramı
I.BÖLÜM: Atom ve Elektrik
I.BÖLÜM: Atom ve Elektrik
I. Bölüm Konu Başlıkları:
1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma
2. Faraday’ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar
3. Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi
4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması.
(Miliikan’ın Yağ Damlası Deneyi)
5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki İlişki
6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi
1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma
Elektrik yükü ilk kez antik dönem insanları
tarafından ağaç reçinesinin fosilleşmesiyle oluşan
kehribarın ipek ya da yüne sürtüldüğünde küçük
cisimleri çekmesi ile gözlemlenip belirlenmiştir.
Aynı olayı, de plastik bir tarağı saçınıza
sürttüğünüzde tarağın saçınızı çekmesinden
anlayabilirsiniz.
Saçımızı tararken yün kazağımızı çıkarırken çıtırtılar
duyulur. Otomobilden inerken kapı kolu ile el
arasında elektrik akışı olur. Bu ve benzeri
örneklerdeki olayların nedeni elektriklenmedir.
Sürtünme ile Elektriklenme:
Sürtünme ile elektriklenmede birbirine sürtünen cisimlerden
biri diğerine elektron verir ve kendisi pozitif (+) yükle
yüklenir.
Elektron alan cisim üzerinde (–) yük fazlalığı oluşacağı için
negatif (–) yükle yüklenir. Alınan yük verilen yüke eşit olduğu
için yük miktarı eşittir.
Cam çubuk ipek kumaşa sürtülürse, camdan ipeğe elektron
geçişi olur. Cam çubuk (+), ipek kumaş ise (–) yükle yüklenir.
Plastik çubuk yünlü kumaşa sürtülürse, çubuk yünlü
kumaştan elektron alır ve (–) yükle yüklenir. Yünlü kumaş
elektron verdiği için (+) yükle yüklenir. Alınan ve verilen yük
miktarları eşittir.
ETKİNLİK-1:
Etkinliğin Amacı: Farklı elektrik yüklerinin varlığını ayırt edebilme.
Gözlem sonuçlarını tartışınız, sonuçları yanda verilen boşluğa yazınız? Bu
olayın fiziksel yada kimyasal olay olup olmadığını tartışınız?
2. Faraday’ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar
2. Faraday’ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar
Elektriklenmenin çeşitli maddelere etkisi üzerinde ilk önemli
çalışmaları fizik profesörü Alessandra Volta (Alessandra Volta)
olmuştur.
Volta, metal çiftler arasındaki etkileşimle oluşan elektriklenme
olayından yararlanarak kendi adını taşıyan pili geliştirmiştir.
1800 yılında Volta, “volta pili” yada esinlendiği kişiden dolayı
“Galvanik Pil” denilen pili buldu. Volta pilinde elektriği üreten
şey, maddenin yapısında oluşan kimyasal değişmedir.
Düzenekte, metaller bir birlerine bağlandıklarında devreden akım geçtiği
gözlenmektedir. Bu akım, maddelerin yapısında bulunan elektronların diş
devreden anottan katoda doğru hareket etmesinden kaynaklanmaktadır.
ETKİNLİK-2:
Etkinliğin Amacı: Volta pilinde bazı kavramların kavratılması
a. Anot neresidir?
b. Katot neresidir?
c. Elektronlar dış devrede nereye doğru akar?
d. Hangi elektrot çözünür
e. Hangi elektrodun kütlesi arter?
f. Yükseltgenen hangisidir?
g. İndirgenen hangisidir?
h. İndirgen hangisidir?
i. Yükseltgen hangisidir?
j. Yükseltgenme yarı pil tepkimesini yazınız.
k. İndirgenme yarı pil tepkimesini yazınız.
l. Net pil tepkimesini yazınız.
m. Standart başlangıç pil potansiyeli kaç volttur?
n. Katotta açığa çıkan madde devreden geçen yük miktarıyla nasıl değişir?
Tartışınız?
Michael Faraday, (1791, 1867) Londra'da bulunan
Kraliyet Enstitüsü'nde kimyacı Sir Humphrey Davy
tarafından verilen kimya konferanslarına katılma
olanağı buldu. Konferanslarda tuttuğu notları
ciltleyerek iş isteyen bir mektupla birlikte Davy'ye
gönderdi ve 1813'te Davy'nin desteğiyle kimya
asistanı oldu. 1820'de Davy'nin yanından
yardımcılık
görevinden
ayrıldı.
1825'te
laboratuvar müdürlüğüne getirildi. 1833'te
enstitüye ders verme mecburiyeti olmaksızın
kimya profesörü olarak tayin edildi.
Michael Faraday, 1832 ve 1833'te elektrolizin iki
temel kanununun formüllerini buldu
Elektrik enerjisi ile, kimyasal tepkimelerin
oluşumunu sağlayan düzeneklere, elektrolitik
pil; bu olaya da elektroliz denir. Asit, baz ve
tuzlar sıvı halde ya da çözeltileri elektrik
akımını iletirler. Elektrik akımını ileten bu
sıvılara elektrolit denir.
Elektrolit
maddelerden,
elektrik
akımı
geçirilirse bunların çözeltilerinde bulunan
katyonlar indirgenerek katot elektrodunda,
anyonlar yükseltgenerek anot elektrodunda
toplanırlar.
YORUM:
Devreye akım verildiğinde anoda (–) yüklü iyon (anyon) gider, elektron
vererek ve yükseltgenir.
 Anoda verilen elektronlar dış devreden katoda doğru hareket eder.
Katoda giden (+) yüklü iyonlar anottan gelen elektronları alarak
indirgenir.
Yukarıdaki olayda anottan Cl2 gazı çıkarken, katotta Na(k) toplanır.
Faraday Elektroliz Kanunları:
1. Elektrolizde elektrotlarda açığa çıkan
madde miktarı, devreden geçen yük
miktarına bağlıdır.
(96500 coulomb =1 faradaylık yük=
1 mol elektron yükü=1 eşdeğer gram )
2. Elektroliz kaplarından aynı elektrik miktarı
geçirildiğinde,
elektrotlarda
toplanan
maddelerin eşdeğer gram sayıları birbirine
eşittir.
(Devreden 1 mol elektron geçirildiğinde,
anotta ve katotta 1 eşdeğer gram madde
toplanır. (A/e))
I : Akım şiddeti (amper)
t : Süre (saniye)
A : Metalin mol kütlesi
n : Metalin değerliği
Örnek:
Ergimiş NaCI tuzu 9,65 amperlik akımla 500 saniye elektroliz
yapılıyor. Buna göre, katotta kaç gram Na toplanır?
(Na=23) A) 2,3 B) 1,15 C) 1,05 D)0,55 E) 0,27
ÖRNEK: Seri elektroliz kaplarında elektroliz edilen Na, Mg, Al
tuzları için devreden 2F lık akım geçtiğinde katotta;
a. Kaç gram Na
b. Kaç gram Mg
c. Kaç gram Al toplanır?
Yandaki seri bağlı elektroliz devresinde a kabının katodunda 3,2
gram Cu toplandığında, b kabının katodunda kaç gram Al toplanır?
(Cu: 64, Al: 27)
ÇÖZÜM
Örnek:
Seri bağlı elektroliz düzeneğinde ergimiş XCI2 ve YCI3 elektroliz
ediliyor. Birinci kabın katodunda 0,3 mol X toplanırken ikinci kabın
katodunda 5,4 gram Y toplanmıştır. Buna göre, Y nin atom ağırlığı kaç
g/mol dür?
ÇÖZÜM
NOT:
NOT: Devreden geçen elektron yük miktarı, katotta belli miktar
maddenin açığa çıkmasına sebep oluyorsa, bu maddelerin elektronları
alarak serbest hale geçtikleri kesindir. Öyle ise elektronlar, maddenin
yapısında olan yükseltgenme olayında ortama salındığı gibi, indirgenme
olayında da maddenin yapısına giren taneciklerden başka bir şey
değildir. Bu düşünceler bilim adamlarını elektronla ilgili çalışmalara
yöneltti. Maddenin iç yapısına yönelik çalışmalar bundan sonra hız
kazanmıştır.
KAPLAMACILIK:
Kaplanmak istenilen madde katot elektrot olarak hazırlanır, kaplamak istediğimiz
maddenin çözeltisi hazırlanır ve elektroliz işlemi başlatılır.
Demir kaşığın gümüşle kaplanması olayını düzeneğe bakarak tartışınız?
Gerekli anot ve katot tepkimelerini yazınız?
KATOT IŞINLARI
Hava ve diğer gazlar,
normal
durumlarda
yalıtkandırlar. Ancak
basınç 0,01 mmHg gibi
çok küçük bir değere
düşürülüp,
gerilim
10.000 volt gibi yüksek
bir değere çıkartılırsa,
gazlar ışık yayarak
elektriği
iletir.
Katottan anoda doğru
dik doğrultuda yayılan
bu ışınları 1859 da
J.Plucker gözlemledi.
1869 Alman fizikçi
Hittorf bu ışınların
manyetik
alanda
pozitif kutba doru
kaydığını gördü.
1897 yılında J.J. Thomson, katot ışınlarının elektriksel
alanda pozitif kutba yöneldiğini gördü. Bu yönelmeden
yararlanarak
yük/kütle
oranını
belirledi.
(e/m=-1,7588.108 coul/g). Hızlarını ölçtü ve
elektronların tüm atomların yapısında olduğunu
kanıtladı.
Katot Işınları
Katot ışınları negatif yüklü taneciklerin, bir sağanağıdır.
Gazın cinsi ne olursa olsun yayılan ışının özellikleri aynıdır.
Katot ışınlarını oluşturan tanecikler, hem maddenin ve hem de elektriğin
ortak maddesidir.
4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması
1858’de Julius Plücker (Julyüs Plüker), katot tüpünün
yakınına bir mıknatıs getirerek oluşan katot ışınlarını
gözlemleyip bu ışınların manyetik alandaki davranışlarını
ilk kez inceleyen bilim insanıdır.
Katottan çıkan elektronlar anota doğu hareket eder.
Anotta şekildeki gibi bir delik açılırsa elektronlar delikten geçerek floresan boya ile kaplı yüzeye B noktasında
çarpar. Böylece ışıklı bir nokta görülmesine neden olur.
Tüpe, elektriksel alan uygulanırsa yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcı
levhalar) konursa elektronların artı yüklü levhaya doğru saptığı ve yüzeye A noktasında çarptığı görülür.
Yüklü bir parçacığın elektriksel alanda sapma miktarı, parçacığın elektrik yükü ile doğu orantılıdır. Diğer
taraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır. Çünkü büyük kütleli bir parçacık, yüklü levhaların
oluşturduğu elektrostatik çekimden daha az etkilenecektir.
Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpün
yüzeyinde C noktasına çarpar.
Thomson, deneylerinde elektriksel alana dik belli bir şiddetle manyetik alan uygulayarak elektron demetinin
sapmasını ölçmüştür. Ayrıca elektriksel alan da uygulayarak sapmayı durdurmuş yani B noktasına getirmiştir.
Özetlersek;
Tüpün anot tarafında küçük bir delik açılarak
katot ışınlarının geçmesi sağlanıyor.
Geçen elektron sağnağı doğrusal olarak ilerleyip
B noktasına düşüyor.
Tüpe elektriksel alan uygulandığında, ışınların +
yüklü kutpa doğru kayıp A noktasına düştüğü
gözleniyor.
Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik
alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek
tüpün yüzeyinde C noktasına çarpıyor.
Thomson; Elektriksel ve manyetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlar
için e/m (yük/kütle) oranını; -1,7588 x 1011 Coulumb/kg (e/m=-1,7588.108
coul/g) olarak bulunmuştur.
Bu konuda hesaplamalara girilmeyecektir.
Elektron yükü 1908’de Rabert Andrews
Millikan (Rabıt Endruv Milikan)
tarafından ölçülmüştür. Elektrik yükü
şekildeki düzenek ve e/m değeri
kullanılarak hesaplanmıştır.
Deneyde pülverizatör (püskürteç) den
püskürtülen küresel yağ damlacıkları, kabın üst
bölümüne gönderilir.
Sis halinde dağılmış küçük yağ damlacıkları,
üst levhadaki delikten aşağı inerken bu
damlacıklara X-ışınları gönderilir.
Bu ışınların ortamdaki havayı oluşturan (N2
ve O2) moleküller ile çarpışarak kopardığı
elektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutulur
ve damlacıklar negatif yüklenir.
Üst plaka pozitif (+), alt plaka negatif(-)
yüklenirse negatif yüklü yağ damlacıklarının
düşmesi durdurulabildiği gibi damlacıkların
yukarıya hareket etmesi de sağlanabilir.
 Damlacığın davranışları ve düşme hızı,
elektriksel
alan
yokluğunda
(akım
uygulanmadığında),
mikroskopta
gözlemlenerek bulunabilir.
Damlacığın düşüşünü durdurmak için
uygulanacak yük miktarı bilinirse her damla
üzerindeki yük de hesaplanabilir.
Milikan
deneyi
tekrarladığında
yağ
damlacıkları üzerindeki yükün en büyük ortak
böleninin (ebob) daima -1,6022x1019 coulomb
değerini verdiğini görmüştür.
Bunun sonucunda, yağ damlalarının birden
fazla elektron taşıdıkları ve bir yağ damlası
üzerindeki yükün tek bir elektron yükünün
katları olması gerektiği sonucuna varmıştır.
Millikan, bir elektron yükünü 1,6022x1019 Coulomb olarak
belirledikten sonra homsonun e/m
değerinden faydalanarak
elektronun ütlesini hesaplamıştır.
3. Elektronun Keşfinin Tarihsel Gelişimi
Dalton öncesi kuramlarda atom,
maddenin en küçük taneciği
olarak kabul edilmiştir. Dalton’ da
atomu maddenin en küçük yapı
taşı olarak kabul etmiştir.
Pillerin yapısının açıklanması,
elektronun kaynağının madde
olduğunu gösteriyordu. Ardından
elektroliz olayının anlaşılması,
elektronun varlığı hakkındaki
delilleri daha da güçlendirdi.
Ardından elektroliz olayının anlaşılması,
elektronun varlığı hakkındaki delilleri
daha da güçlendirdi.
Faradayın çalışmalarına dayanarak
George Johnstone Stoney (Stoney)
atomlarda elektrik yüklü birimlerin
ulunduğundan söz etti ve 1891 de
bunlara elektron adının verilmesini
önerdi.
Stoney’in elektron adını verdiği negatif
yüklü bu taneciklerden her maddede
farklı miktarlarda vardır. Maddenin
nötr olması için bu negatif yüklere eş
sayıda da pozitif yük bulunması
gerektiğinden bahsetti.
Elektronların varlığına dair ilk kanıt, 1870’lerde İngiliz
fizikçi William Crooks (Vilyım Kruks) tarafından
bulundu.
Crooks geliştirdiği vakumlu tüp içerisinde gazların
elektrikle etkileşim sonucu ortaya çıkan davranışlarını
inceledi.
Crooks tüpleri olarak da bilinen bu tüpler televizyon
tüplerinin öncüleri olmuştur.
Ardından 1897 yılında J.J. Thomson’ un katot
ışınlarının sırrının çözdü ve elektronların – yüklü
tanecikler olduğunu açıkladı. Thomson elektronun
yük/kütle oranını hesaplamıştır.
Ardından Milikan deneyi;
elektronun yükünün
hesaplanmasını sağladı.
(-1,6021.10-19 coulump).
Thomson’un daha önce
bulduğu; yük/kütle oranından
yararlanarak elektronun kütlesi
de böylece hesaplanmış oldu.
Bu gün bu negatif yüklü
taneciklere “elektron” diyoruz.
5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki ilişki
Katot ışınları tüp içinde yol
alırken, çarptıkları atom ya da
moleküllerden elektron koparırlar.
Bu
elektron
sağanağının
oluşturduğu bu pozitif iyonlar,
katot yönüne geçerler.
 Tüpün ortasından kanallar açılarak görülebildiğinden dolayı bu ışınlara “kanal
ışınları” ya da “pozitif ışınlar” denilmiştir.
 Kanal ışınları, katot ışınlarının tam tersi yönde hareket ettiklerine göre, bu
ışınlar üzerine yapılan çalışmalar daha kısa sürede tamamlandı. 1898 de Alman
fizikçi W. Wien, kanal ışınlarının pozitif elektrik yüklü olduğunu gördü.
 Kanal ışınlarının “yük/ kütle” oranını kabaca hesapladı. Bu oran tüpteki gazın
cinsine göre değişiyordu. Bunun sebebi; tüpte bulunan gazın cinsine göre farklı
iyonların oluşmasıydı.
Pozitif ışınlarla ilgili sonuç alıcı çalışmaları 1906 yılında Thomson açıkladı.
Buna göre;
 Tüp içersine H2 gazı konulduğunda yük/kütle oranı: 9.5791.104 coul/g pozitif
yüklü taneciklerin oluştuğu görülüyordu.
Elektronunu kaybetmiş olan bu en küçük hidrojen taneciğine, “proton” adı
verildi.
Protonun yükü elektronun yükü ile eşit ama zıt işaretlidir.
Yük yerine, pozitif elektronun yükü konulduğunda;
Buna göre, protonun kütlesi ise, bir elektronun kütlesinin yaklaşık 1840 olduğu
görülmüş oldu.
X-ışınları:
X ışınlarına; 1895 yılında
Prof. Röntgen katot
ışınlarının etkilerini
araştırırken bulduğu ancak
ne olduğunu anlayamadığı
için x-ışınları demiştir.
 Çekirdeğe en yakın enerji düzeyindeki elektrona, hızlı elektronlar çarptığında
(katot ışınları), bu elektronlar yerinden oynar ve üst enerji düzeyine sıçrar.
 Boşalan bu yere üst enerji düzeyinden bir elektron iner. Bu sırada ortaya bir
enerji yayılır bu enerjiye x-ışıması diyoruz. Ya da çekirdeğe en yakın “iç
elektronların” “uyarılmış” durumdan, “temel enerji” duruma inerken ortama
saldıkları “yüksek enerjil” ışınlardır.
X ışınları;
•Yüksek enerjili (frekanslı) (3.10 10 cm/sn hızla)
•Manyetik ve elektriksel alanda sapmazlar.( Elektro manyetik)
•Görünmez
•Giriciliği çok yüksek ışınlardır.
6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi
MOSELEY DENEYLERİ:
x-ışınları üzerine çalışmalar yapan Mosoley, anottaki metal değiştikçe, oluşan x-ışının
frekansının da değiştiğini, her elementin kendine özgü bir x-ışını yaydığını gördü.
Ancak anotta bulunan metalin x-ışınları vere bilmesi için, anota gelen elektronların
belli bir hızla çarpışması gerekmektedir.
Ayrıca bu hız da her metal için farklı farklıydı. Metalden çıkan x-ışınları, o metale
özgü bir x-ışını serisi veriyor, her serinin de kendine özgü bir frekansı bulunuyordu.
Bu seriler K,L,M,N serisi olarak bilinir. Atom numarası 30 a kadar olan elementlerde
yalnızca K serisi vardı, daha sonrakilerde L, ağır metallerde de M serisi gözleniyor.
Atom ağırlığı arttıkça, yayılan x-ışınlarının
da frekansının arttığı özleniyordu.
Ancak, kullanılan elementinin atom
ağırlığının, onların çıkarttıkları x-ışınları
frekanslarının kare kökü arasında bir
grafik çizildiğinde bazı sapmaların
olduğunu gördü. O zamana kadar,
elementlerin kimyasal özelliklerinin, atom
ağırlıklarıyla değiştiği düşünülüyordu.
Moseley, atom ağırlı yerine “çekirdek
yükü” alındığında bu sapmaların ortadan
kalktığını gördü.
Ayrıca moseley, periyodik tabloda
alüminyumdan - altına kadar 38
elementin, x-ışınları tayfını inceledi. Bu
incelemeler 1932’ye kadar uranyuma
kadar uzatıldı.
Moseley yaptığı deneylerde;
Moseley, atomun çekirdeğinde bulunan bu + yüklü
taneciklere proton adını vermiştir.
Moseley; X-ışınları tayflarına dayanarak, atom
numaralarını doğru olarak hesaplamayı başarmıştır.
Moseley; Kimyasal değişmelerde, çekirdek yükünün
korunduğunu ispatlamıştır.
Moseley; Elemente kimyasal özelliğini kazandıran
taneciğinde “çekirdek yükü”nün olduğunu ispatladı.
Moseley; Çekirdek yüküne, “atom numarası” dedi.
Moseley; Nötral atomlarda “çekirdek yükü”, “elektron
sayısı”na eşittir.
Moseley; o güne kadar periyodik tabloda eksik olan
elementlerin atom numaralarını tespit etmiştir.
Thomson Atom Modeli
1897 yılında Joseph John Thomson, katot ışınlarıyla
yaptığı deneylerde, “yüksek voltaj uygulanan katot
ışınlarının, negatif kutup tarafından iletildiğini ve
pozitif kutba doğru çekildiğini belirledi.” Bu deney
sonucuna göre, katot ışınları negatif olmalıydı.
Negatif yüklü bu taneciklere “elektron” denildi.
Thomson, yapmış olduğu deneyler sonucuna göre
elektronun yükünü ve kütlesini hesaplayamamış,
ancak yük/kütle oranını hesaplamıştır.
Elektronun kütlesi çok küçük olduğuna göre, atomun
kütlesi pozitif yüke bağlı olmalıydı. Öyle ise atomun
hacminin büyük bölümünü pozitif yük oluşturmalıydı.
Ona göre atom; çapı yaklaşık 10-8 cm olan, içi dolu,
çok küçük küreciklerdi. Bu küreciğin ana gövdesi,
pozitif yüklerden oluşuyor, elektronlar ise düzenli
bir şekilde bu küreciğin içinde dağılmıştı.
Thomson yapmış olduğu deneylerin sonucuna göre;
• Atom, yarıçapı 10-8 cm olan içi dolu, nötr, küreciklerdir.
•Pozitif yükler, bu küreciğin gövdesini oluşturmaktadır.
•Bu küre içersinde elektronlar, kararlı bir elektrostatik düzen oluşturacak şekilde
dağılmışlardır. Bu dağılım, üzümün kek içinde dağılımına benzetilmiştir. Üzümler (-)
yüklü elektronları, kekin hamur kısmı da (+) yükü temsil etmektedir.
•Atomlarda pozitif yük sayısı kadar negatif yük vardır. Dolayısıyla atomlar nötrdür.
•Elektronların kütlesi, atomun kütlesi yanında ihmal edile bilecek kadar küçüktür.
•Atomun ağırlığını büyük ölçüde pozitif yükler teşkil etmektedir.
Thomson Atom Modelinin yanlışları:
•Bu gün biliyoruz ki atomların gövdesi, pozitif
yüklü taneciklerden oluşmamaktadır.
•Elektronlar atom üzerinde rastgele
dağılmamışlardır.
•Nötron hakkında bilgi yoktur.
Başarılar dilerim.
M.T.