39 1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ Etkinlik: Atomun Kuantum

1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Etkinlik: Atomun Kuantum Modeline Yönlendiren Bulgularla İlgili Öğrendiklerimizi Kontrol
Edelim
Aşağıda verilen bilgilerle bunları ileri süren bilim insanlarını eşleştiriniz.
a.
1.Bir elektronun hem yeri hem de hızı aynı anda belirlenemez.
Bohr
b.
2.Elektronlar, atom içinde elektrostatik ve merkezcil kuvvetlerin etkisinde belirli yörüngelerde dolanır.
De Broglie
c.
3.Atom içerisinde hareket eden elektronların yerleri net olarak belirlenemez. Elektronların bulunma olasılığının yüksek
olduğu alanlar elektronların dalga fonksiyonları olarak düşü-
Heisenberg
nülür.
ç.
4.Elektronlar hem dalga hem de tanecik özelliğindedir.
Schrödinger
1.3.Atomun Kuantum Modeli
Önceki bölümde öğrendiğiniz gibi Erwin Schrödinger, elektronları maddesel dalga olarak kabul ederek oldukça başarılı sonuçlar elde etmiştir. Atom içinde maddesel dalga hâlinde tutulan
elektronların hareketi, durağan dalga olarak adlandırılan bir dalga hareketine daha çok benzer. Bir ucu tutturulmuş kısa bir ip
çekilip bırakıldığında yapacağı dalga hareketi durağan dalgaya
39
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
örnek olarak verilebilir (Şekil 1.15). Ancak ipteki durağan dalgalar tek boyutludur. Elektronun hareketi ise üç boyutlu durağan
dalgadır. Üç boyutlu dalganın iki boyutlu kesiti bir durağan dalga
kabul edilebilir. Elektronun durağan bir dalga gibi davranabilmesi
için dalga boyunun yörünge çevresine tam uyması gerekir (Şekil
1.16.a). Eğer uymazsa her tam dönme sonrasında dalganın kısmen kendisini yok etmesi söz konusu olacaktır. Şekil 1.16.b’de
dalga boyunun yörünge çevresine tam uymadığı gözlenmektedir.
Bu durumda elektron dalgası kendini tekrarlayamaz.
Şekil 1.15: İpte durağan dalga hareketi
(a)
(b)
Şekil 1.16.a, b: Elektronun durağan dalga hareketinin iki boyutlu kesiti
Elektronların bahsettiğimiz dalga modelini matematiksel
denklemle ifade edebiliriz. Bu dalga denkleminin çözümleri dalga fonksiyonu olarak adlandırılır. Dalga fonksiyonlarının çıkarılmasında kullanılan matematiksel işlemlerdeki değişkenlere kuantum sayıları denir. Üç kuantum sayısına bazı özel değerler
verilerek elde edilen dalga fonksiyonuna orbital denir. Elektronu
tanecik olarak düşünürsek elektronun atom içerisinde bulunma
olasılığı yüksek olan bölgeler orbitallerdir. Elektronu maddesel
dalga olarak düşünürsek yüksek negatif ^-h yük yoğunluğu olan
bölgeler orbitallerdir.
a. Tek Elektronlu Tanecikler ve Orbital Kavramı
Schrödinger dalga denklemini tek elektronlu hidrojen atomu
için geliştirmiştir. H, He + , Li 2+ gibi tek elektronlu taneciklerde
elektronların birbirini itmeleri söz konusu değildir. Bohr, hidrojen
atomunda elektronun enerjisinin sadece yörüngesine bağlı olduğunu yani enerjinin elektronun çekirdekten uzaklığının bir fonksiyonu olduğunu düşünmüştü.
Aynı enerji düzeyindeki tüm orbitallerin aynı enerjiye sahip olduğunu ifade eden dalga mekaniği ile de hidrojen atomu için benzer sonuçlar elde edilmiştir. Aynı enerjiye sahip farklı orbitallere
40
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
eş enerjili orbital denir. Örneğin hidrojen atomunda 2s ve 2p orbi-
Enerji
talleri eş enerjilidir (Şekil 1.15).
3s
3p
2s
2p
3d
1s
Şekil 1.17: Hidrojen atomunun orbital enerji diyagramı
b. Kuantum Sayıları ve Orbitaller
Çekirdek çevresindeki herhangi bir elektronun durumu dalga
mekaniğinde üç kuantum sayısı ile belirlenmişti. Ancak hidrojen
spektrumunda açıklanamayan bazı noktaların elektronun spin
adı verilen kendi etrafında dönme hareketi ile açıklanabileceği
düşünüldü.
1925 yılında George Uhlenbeck (Corc Alınbek) ve Samuel
Tablo 1.2: İlk beş kabuğun baş kuantum sayıları
Goudsmit (Semyıl Gadsimit) tarafından ileri sürülen elektronun
Kabuk
Baş kuantum sayısı
kendi ekseni etrafında dönmesi, spin kuantum sayısı ile tanım-
K
n=1
L
n=2
M
n=3
N
n=4
O
n=5
landı.
Baş Kuantum Sayısı
“n” ile gösterilir. Elektronun atom içinde uzun süre kaldığı
bölgelere kabuk adı verilir. Kabukların tam sayılarla numaralandırılmasında baş kuantum sayıları kullanılır (Şekil 1.18). İlk beş
kabuğun baş kuantum sayıları Tablo 1.2’ de verilmiştir.
4
3
2
1
N
M
L
K
Pozitif yüklü
çekirdek
Bilgi Kutusu
K
Baş kuantum sayısı, elektro-
L
nun bulunduğu kabukları veya
M
N
Şekil 1.18: Kabuklar ve baş kuantum sayıları
enerji düzeyini gösterir. Elektronun çekirdekten olan ortalama
uzaklığını belirler.
41
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Baş kuantum sayısının değeri büyüdükçe elektronun enerjisi
artar ve çekirdekten uzaklaşır.
Açısal Momentum (orbital) Kuantum Sayısı
“,” ile gösterilir. Genellikle aynı n değerine sahip orbitaller topluluğu kabuk olarak adlandırılır. Birden fazla elektronlu atomlarda, elektronların çekirdekten uzaklığını kabuk kavramıyla anlatmak yeterli olmaz. Çünkü kabuk elektronun bulunma ihtimalinin
en fazla olduğu bölgeleri tanımlamaz.
Atomun kuantum modelinde , değerleri, elektronların bulunduğu kabuklar içindeki alt kabukları belirler. Aynı n ve , değerine
sahip bir veya daha fazla sayıdaki orbitaller alt kabuğu oluşturur.
Açısal momentum kuantum sayısı, n değerlerine bağlı olarak
0 ile n-1 arasındaki tam sayı değerlerini alır.
Her kabukta açısal momentum şiddeti aynı olan elektronlar
aynı alt kabukta yer alır. Alt kabuklar şekillerini anlatan İngilizce
sıfatların baş harfleriyle sembolize edilir. Alt kabukların İngilizce
sıfatları ve harflerle gösterilen sembolleri Tablo 1.3’te verilmiştir.
Tablo 1.3: Alt kabukların İngilizce sıfatları ve sembolleri
Açısal momentum
kuantum sayısı
z
y
İngilizce sıfatı/
(Türkçesi)
Alt kabuk
sembolü
,=0
Sharp (keskin)
s
,=1
Principal (asıl)
p
,=2
Diffuse (yayılmış)
d
,=3
Fundamental (temel)
f
Alt kabuklar için elektron bulutlarının şekilleri farklıdır. Açısal
momentum kuantum sayısı, elektron olasılık dağılımını ya da
x
elektron bulutunun geometrik şeklini ve şekil farkı nedeniyle oluşan enerji seviyelerindeki değişimleri belirtmekte kullanılır.
, = 0 değerine sahip orbitallerin hepsi “s” orbitalidir. Eğer s
Şekil 1.19: s orbitallerinde bulunan
elektron olasılık dağılımını bir düzlemde noktalarla gösteren model
42
orbitali birinci kabukta ise “n = 1 ve 1s” olarak gösterilir. Birinci
kabukta sadece s orbitali vardır. Eğer s orbitali ikinci kabukta ise
“n = 2 ve 2s” olarak gösterilir (Şekil 1.19).
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
z
z
z
1s
3s
2s
y
y
y
x
x
x
Şekil 1.20: İlk üç enerji düzeyindeki s orbitallerinin gösterimi
s orbitalleri küreseldir. Yani s orbitali için elektron bulutunun
geometrik şekli, merkezinde çekirdeğin bulunduğu bir küredir
(Şekil 1.20). s orbitalinde elektronun en yüksek bulunma ihtimalinin çekirdek yakınında olduğu olasılık dağılım grafiğinde gösterilebilir (Grafik 1.2).
, = 1 değerine sahip orbitallerin hepsi “p” orbitalleridir. p orbitallerini s orbitallerinden ayıran temel fark p orbitallerinin küresel olmamasıdır. p orbitalleri ikinci kabuktan itibaren vardır.
n = 2 ve , = 1 durumunda 2p x, 2p y ve 2p z olmak üzere üç
tane p orbitali bulunur. p orbitallerinin alt indisleri, orbitallerin
yönlendikleri eksenleri göstermektedir. Bu üç orbitalin enerjileri,
büyüklükleri ve şekilleri özdeş olmasına karşın, yönlenişleri farklıdır. p orbitallerinin boyutları tüm orbitallerde olduğu gibi 2p’den,
3p’ye, 4p’ye... baş kuantum sayısı ile artar.
Şekil 1.21 ve Grafik 1.3’ü inceleyerek 2p orbitallerinin üç gösterim şeklini öğrenelim.
3px
2px
3p y
2p y
Grafik 1.2: s orbitalinde elektronun
çekirdek yakınında olduğunu gösteren olasılık dağılım grafiği
3p z
2p z
Şekil 1.21: 2 ve 3. enerji düzeyindeki p orbitallerinin x, y, z düzlemindeki
yönelimleri
43
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Şekil 1.21’deki iki yuvarlak bölge birbirinden elektron yük yoğunluğunun sıfır olduğu bir düzlemle ayrılmıştır. Bu düzlem düğüm düzlemi olarak adlandırılır. Grafik 1.3’te elektron olasılık dağılımı sağ ve sol bölgelerde maksimum olup çekirdekten geçen
çizgi üzerinde sıfıra düşer.
0.006
z(A)
0
-5
-10
5
10
0.005
2
W (z)
0.004
0.003
0.002
0.001
0.000
-25
-20
-15
-10
-5
0
z(a )
0
5
10
15
20
25
Grafik 1.3: Elektronun p orbitallerinde en yüksek bulunma ihtimalini
gösteren olasılık dağılım grafiği
Şekil 1.22.a’da düzlem üzerindeki nokta yoğunlaşmaları
elektron olasılık dağılımını gösterir. Şekil 1.22.b’de elektron olasılık dağılımı üç boyutlu olarak gösterilmiştir.
z
x
x
y
2py
(a)
(b)
Şekil 1.22: a. Elektron olasılık dağılımını x düzleminde noktalarla gösteren model b. Elektron bulutunun y düzleminde üç boyutlu gösterimi
, = 2 değerine sahip orbitallerin hepsi “d” orbitalleridir. Bir
orbital , sayısı kadar düğüm düzlemine sahiptir. Bu durumda d
44
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
orbitalleri iki düğüm düzlemi içerir. Şekil 1.23’de d orbitallerinin
düğüm düzlemleri gösterilmiştir.
Z
Z
x
x
y
y
3dxy
Z
3dxy
Z
Z
x
y
3dxy2
x
y
x
y
3dxz
3dx2 – y2
Şekil 1.23: d orbitallerinin düğüm düzlemleri
, = 3 değerine sahip orbitallerin hepsi “f” orbitalleridir. f orbitalleri 4 ve 5. enerji düzeylerinde yedişer tane bulunur.
Tablo 1.4’te elektron kabukları, enerji düzeyleri ve alt kabuklar gösterilmiştir.
Tablo 1.4: Elektronların bulunduğu kabuklar, enerji düzeyleri ve alt
kabuklar
Kabuk
Enerji düzeyi
Alt kabuk
K
n=1
1s
L
n=2
2s, 2p
M
n=3
3s, 3p, 3d
N
n=4
4s, 4p, 4d, 4f
45
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Bilgi Kutusu
Manyetik kuantum sayısı,
her bir alt kabukta bulunan orbitalleri belirler. Her alt kabuk ve
orbital ait olduğu baş kuantum
sayısı ile belirlenir.
Manyetik Kuantum Sayısı
“m,” ile gösterilir. Manyetik kuantum sayısı orbitalin uzaydaki
yönlenmesini gösterir. Manyetik kuantum sayısı (m,)’nın alabile-
ceği değerler açısal momentum kuantum sayısı ,’nin değerlerine
bağlıdır. , = 0 alt kabuğu dışında diğer alt kabuklarda orbitallerin
uzayda yönlendiği belirlenmiştir. Açısal momentum vektörlerinde
, = 1 alt kabuğunda üç farklı yönlenme, , = 2 alt kabuğunda beş
farklı yönlenme olur.
, = 0 için m, = 0’dır.
, değeri 1 olan kabuktan itibaren m, değeri aşağıdaki formülle
hesaplanır.
m , = 2, + 1
, = 1 için m, = 3’tür. Bu durumda m, değerleri - 1, 0, + 1
olup üç tane p orbitalinin farklı yönlenmeleri p x, p y, p z şeklinde
gösterilir.
, = 2 için m, = 5’tir. Bu durumda m, değerleri
- 2, - 1, 0, + 1, + 2 olup beş tane d orbitalinin farklı yönlenmeleri
d x2 - y2 , d z2 , d xy , d xz ve d yz şeklinde gösterilir.
Örnek
4p orbitallerine ait baş kuantum sayısı (n), açısal momentum kuantum sayısı (,), manyetik kuantum sayısı (m,) değerlerini bulunuz.
Çözüm
Baş kuantum sayısı, atomdaki elektronların bulunduğu enerji düzeylerinin belirtilmesinde kullanılan tam sayılardır. Bu durumda 4p orbitallerinin n değeri 4’tür. p orbitalleri için , değeri 1’dir. m,
değerleri ise -1, 0, +1 olabilir.
Alıştırma
Baş kuantum sayısı 3, açısal momentum kuantum sayısı 2, manyetik kuantum sayısı -1 olan
seriler hangi orbitali gösterir? Belirleyiniz.
Elektron Spin Kuantum Sayısı
“ms” ile gösterilir. Elektronun kendi etrafında dönme yönü,
saat yönü ve tersi yönünde olmak üzere iki olasılık taşır (Şekil
1.24). Elektronun spin kuantum sayısı dönme yönü saat yönün1
1
de ise + , dönme yönü saatin tersi yönünde ise - değerlerini
2
2
alır.
46
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
N
S
+ 1
2
S
- 1
2
N
Şekil 1.24: Elektronların spinleri
c. Yörünge ve Orbital Kavramlarının Karşılaştırılması
Baş kuantum sayısı, tek elektronlu hidrojen atomu için enerji
seviyelerinin birinci dereceden belirleyicisidir. Kuantum modelindeki orbitallerin, hidrojen atomundaki Bohr yörüngelerine karşılık
geldiği söylenebilir. Kuantum modeline göre her atom orbitali,
karakteristik bir elektron yoğunluğu dağılımına ve enerjiye sahiptir. Elektron yoğunluğu kavramı atomun belirli bir bölgesinde
bir elektronun bulunma olasılığını verir. Bohr modeli ile kuantum
modeli arasındaki farkı belirtirken yörünge kavramı yerine orbital
kavramı kullanılmaya başlanmıştır. Bohr’un modelinde yörüngeler için kullandığı numaralandırma, kuantum modelinde baş
kuantum sayısı olarak isimlendirilmiştir. Ancak çok elektronlu
atomlarda elektronlar arası etkileşmeler ve enerji seviyelerinin
belirlenmesinde kabuklar yanında orbitaller, elektronların man-
Bilgi Kutusu
Spin kuantum sayısı, elektronun kendi etrafındaki dönme yönünü belirler. Dönme yönü saat
yönünde ise spin kuantum sa1
yısı + , saatin tersi yönünde
2
1
ise spin kuantum sayısı - ’dir.
2
yetik alandaki yönelimleri ve kendi çevrelerinde dönme hareketlerinin açıklanmasında diğer kuantum sayıları etkin olmuştur.
ç. Çok Elektronlu Atomlarda Orbitallerin Enerji Sırası
Kuantum modelinde orbitallerin şekli, büyüklüğü ve yönelimleri hakkında öğrendiklerimizden sonra orbitallerin birbirlerine
göre enerjilerini, bu enerji seviyelerine elektronların yerleşimlerinin nasıl olacağını öğrenelim.
Çekirdekten belirli uzaklıkta bulunan elektronla çekirdek arasındaki çekim kuvvetini düşünelim. Çekirdeğe en yakın orbitallerde bulunan elektronlar, çekirdeğin daha dış orbitallerde bulunan
elektronlara uyguladığı çekim etkisini azaltır. Bu durum, çekirdeğe
Bilgi Kutusu
Çok elektronlu sistemlerde
elektronlar arası itme, elektronlarla çekirdek arasındaki çekme
kuvvetlerinden dolayı kabukların, alt kabukların ve orbitallerin
enerjilerinde farklılıklar vardır.
47
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Bunları Biliyor musunuz?
Elektronlar en düşük enerjili
orbitalden başlanarak orbitallere
yerleştirilir.
Madelung-Kletchkowski (Madelug-Kleçkovski) ilkesine göre,
orbitallerin enerjileri ^n + ,h değerinin artmasıyla yükselir. ^n + ,h
değerinin aynı olması hâlinde n
sayısı büyük olan orbitalin enerjisi yüksek olur. , değeri aynı olan
orbitallerden, n değeri büyük olanın enerjisi yüksektir.
Örneğin ilk üç enerji düzeyinde bulunan s orbitallerinin enerji-
yakın elektronların perdelemesi olarak isimlendirilir. Örneğin, 3s
ve 3p orbitallerini ele alalım. 3s orbitalleri 3p orbitallerine göre
çekirdeğe daha yakındır. Bu durumda s orbitalindeki bir elektron
p orbitalindeki bir elektron kadar perdelenmez. Başka bir deyişle
3s orbitalindeki elektron 3p orbitalindeki elektrona göre daha sıkı
tutulur. Bu nedenle aynı kabuğun s orbitali, p orbitallerinden daha
düşük enerjilidir. Bu örnekten de anlayacağımız gibi bir kabuğun
enerji düzeyi de alt kabuklar hâlinde farklı enerji düzeylerine ayrılır. Ancak aynı alt kabukta bulunan orbitallerin enerji düzeyleri
aynıdır. Örneğin üçüncü kabukta bulunan pX, pY ve pZ orbitalleri
özdeş enerjilidir.
Bir atoma ait elektron dağılımı, elektronların farklı türdeki,
farklı enerjili orbitallere nasıl yerleştiğini gösterir. Şekil 1.25’te
çok elektronlu bir atomun orbital enerji seviyeleri verilmiştir. İnceleyiniz. Enerji seviyelerinin hem n hem de ,’ye bağlı olduğuna
dikkat ediniz.
leri arasındaki ilişki; 1s 1 2s 1 3s
şeklindedir.
5f
^n + ,h değeri aynı olan orbi-
tallerde ise n değeri büyük olanın
enerjisi daha yüksektir.
5d
O
n=5
5p
Örneğin 3d, 4p ve 5s orbitalle-
rinin ^n + ,h değeri 5’tir. Bu orbitallerin enerjileri arasındaki ilişki;
4f
N
n=4
3d 1 4p1 5s şeklindedir.
4d
5s
4p
3d
4s
M
n=3
L
n=2
K
n=1
3p
3s
2p
2s
1s
Şekil 1.25: Çok elektronlu bir atomda katman ve alt katmanların enerji
düzeylerini gösteren diyagram
48
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Elektronların orbitallere nasıl yerleştiğini anlatan kurallar aşağıda verilmiştir.
Elektronlar orbitallere, atomun enerjisi en az olacak şe-
●
kilde yerleşir. Yüksek enerji düzeylerinde, bazı alt enerji
düzeyleri birbirine çok yakın olduğundan, orbital enerjilerinin artış sırası ile elektronların orbitallere yerleşim sırası
tam bir uyum içinde olmayabilir. Şekil 1.26’da verilen alt
kabukların dolum sırası incelenirse 4s orbitalinin enerjisi
3d orbitallerinden daha düşük olduğundan önce 4s orbitali
dolar. Bu durum bundan sonraki diğer alt kabukların dolum
sırasında da gerçekleşir.
1s2
2
2s
1s
2p6 3s2
2
3p6 4s2
2s
2p
2
6
3s
3p
3d
2
6
10
4s
4p
4d
4f
2
6
10
14
5s
5p
5d
5f
5g
2
6
10
14
18
6s
6p
6d
6f
6g
6?
2
6
10
14
18
22
7s
7p
7d
7f
7g
7?
7?
2
6
10
14
18
8s
8p
8d
8f
8g
8?
8?
2
6
10
14
3d10 4s2
3d10 4p6 5s2
4d10 5p6 6s2
5f14 6d10 7p6 8s2
8?
Şekil 1.26: Atomda elektronların alt kabuklara yerleşimi ve bir orbitalin
alabileceği maksimum elektron sayısı
●
Bir atomda dört kuantum sayısı aynı olan iki elektron bulunamaz. Bu Wolfgang Pauli’nin (Volfgeng Pauli) yayılma
spektrumları üzerinde yaptığı çalışmalar sonucu ortaya
konmuş olup Pauli dışlama ilkesi olarak isimlendirilir. Bu
ilkeye göre iki elektronun; baş kuantum sayısı (n), açısal
momentum kuantum sayısı (,) ve manyetik kuantum sayısı
(m,) aynı olabilir. Ancak spin kuantum sayısı (ms) farklı olmalıdır. Bunun sonucu olarak aynı orbitali sadece iki elektron işgal edebilir. Bu elektronlar zıt spinli olmalıdır. Her bir
49
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
alt kabuk içerdiği orbital sayısının iki katı kadar elektron
içerir. Örneğin, s alt kabuğu bir tane orbital içerir. Dolayısıyla alabileceği elektron sayısı ikidir. p alt kabuğu üç tane
orbital içerir. Alabileceği elektron sayısı altıdır. Herhangi bir
enerji düzeyindeki orbital sayısı ve alabileceği elektron sayısı aşağıdaki formüllerle belirlenir.
n: Enerji düzeyi
n2: Bulunulan enerji düzeyindeki orbital sayısı
2n2: Bulunulan enerji düzeyindeki orbitallerin alabileceği
en fazla elektron sayısı
Örneğin n = 3 enerji düzeyinde n2 = 32 = 9 tane orbital,
2n2 = 2.32 = 18 tane elektron bulunur.
Alıştırma
4. Enerji düzeyinde bulunan orbital ve alabilecekleri elektron sayısını bulunuz.
Alt kabuktaki elektron sayısını gösterir.
Baş kuantum
sayısı (n)’nı gösterir.
1 s2
Açısal momentum kuantum sayısını (,) gösterir.
Şema 1.1: Atomun kuantum sayıları gösterimi
●
Elektronlar eş enerjili orbitallere önce birer birer yerleşir.
Bütün eş enerjili orbitaller birer elektron aldıktan sonra
ikinci elektronlar ters spinli olma koşuluyla yerleşmeye
başlar. Hund (Hund) Kuralı olarak bilinen bu kurala göre,
atomlar olabildiği kadar çok sayıda eşleşmemiş elektrona
sahip olma eğilimindedir. Bunun nedeni elektronların aynı
elektriksel yüke sahip olmaları ve birbirlerinden olabildiğince uzak kalabilmek için eş enerjili orbitallere teker teker
yerleşmeyi tercih etmeleridir.
50
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
d. Atomların ve İyonların Elektron Dizilimleri
Element atomlarının elektron dağılımları nasıl gösterilir? Öğrendiğimiz kuralları göz önünde bulundurarak örnekler üzerinde
elektron dağılımlarını gösterelim.
Element atomlarında elektron dağılımları; kısaltılmış spdf, genişletilmiş spdf ve orbital diyagramı olmak üzere üç farklı şekilde
gösterilebilir.
Kısaltılmış spdf gösteriminde elektronların eş enerjili orbitallere nasıl yerleştiği değil, her bir alt kabuktaki toplam elektron
sayıları gösterilir. Örneğin 1 azot atomunun elektron dağılımının
kısaltılmış spdf gösterimi aşağıdaki gibidir.
7
N: 1s 2s 2p
2
2
3
Genişletilmiş spdf gösteriminde elektronların yerleşiminde
Hund Kuralı’na uyulduğu açıkça belirtilir. Örneğin 1 azot atomunun elektron dağılımının genişletilmiş spdf gösterimi aşağıdaki
gibidir.
7
N: 1s 2 2s 2 2p X1 2p Y1 2p Z1
Burada 2p alt kabuğunda yer alan p orbitallerinin üçünde de
birer elektron bulunduğu gösterilmiştir.
Orbital diyagramı ile gösterimde elektronlar, her bir alt kabuk
tek tek orbitallere ayrılarak, enerji artışı soldan sağa doğru olacak şekilde yerleştirilir. Orbital diyagramında elektronlar oklarla
1
gösterilir. Yukarı yönü gösteren ok ( ) elektron spininin + , aşa2
1
ğı yönü gösteren ok ( ) elektron spininin - olduğunu belirtir.
2
Aynı orbitale yerleşen iki elektron ters spinli olarak ( ) şeklinde
Bilgi Kutusu
Atomda elektronlar orbitallere en düşük enerjili orbitallerden başlayarak yerleşir. (n + ,)
değeri arttıkça orbitallerin enerjileri artar.
gösterilir. Elektronlar aynı alt kabukta bulunan farklı orbitallere teker teker yerleşirken paralel spinli olduklarından oklar aynı yönde
oldukları elektronik yapı gösterir. Örneğin 1 azot atomunun elektron dağılımının orbital diyagramı ile gösterimi aşağıdaki gibidir.
7
N
1s
2s
-.
-.
2p
-
-
-
Atomlar için en düşük enerjili, en kararlı durumu gösteren
yapı temel hâl olarak adlandırılır. Element atomlarının elektron
Bilgi Kutusu
Orbital diyagramında elekt1
ron spininin +
olduğu
2
şeklinde ya da - şeklinde gös1
terilir. Elektron spininin - ol2
duğu ise
ya da
şeklinde
gösterilir.
-
çizilir. Elektronların en düşük enerjili hâlini, paralel spine sahip
51
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
dağılımının yazılmasında Aufbau (Aufbav) İlkesi kullanılır. Bu
Bilgi Kutusu
Elektronlar eş enerjili orbitallere öncelikle birer birer yerleşir. Bütün eş enerjili orbitaller
birer elektron aldıktan sonra
ikinci elektronlar, birinci elektronlarla ters spinli olacak şekilde yerleşir.
ilkeye göre elektronlar atom orbitallerine teker teker eklenir. Tablo 1.5’te periyodik cetveldeki ilk 11 elementin elektron dizilimleri
ve orbital diyagramları verilmiştir.
Tablo 1.5: Periyodik cetveldeki bazı elementlerin elektron dizilimleri ve
orbital diyagramları
Atom
1H
2He
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
11Na
52
Elektron dizilimi ve orbital diyagramı
1s1
1s2
1s2
2s1
1s2
2s2
1s2
2s2
2p1
1s2
2s2
2p2
1s2
2s2
2p3
1s2
2s2
2p4
1s2
2s2
2p5
1s2
2s2
2p6
1s2
2s2
2p6
3s1
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Örnek
20
Ca ,
35
Br element atomlarının elektron dağılımlarını yazarak orbital diyagramlarını gösterelim.
Çözüm
20
Ca element atomunun elektron dağılımı;
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s2
şeklindedir. Orbital diyagramı aşağıdaki gibidir.
1s2
2s2
35
2p6
3s2
3p6
4s2
Br element atomunun elektron dağılımı;
1s2
2s2
2p6
3s2
3p6
4s2
3d10
4p5
şeklindedir. Orbital diyagramı aşağıdaki gibidir.
1s2
2s2
1
2p6
3s2
3p6
4s2
3d10
4p5
H ve 2 He atomları hariç diğer element atomlarının elektron
dağılımları soy gaz elektron dağılımları kullanılarak yani elektron dağılımı gösterilecek elementten bir önceki soy gaz sembolü
köşeli parantez içine alınarak gösterilebilir. Örneğin sodyum atomunun elektron dağılımının spdf ve soy gaz elektron dağılımı ile
gösterimi aşağıdaki gibidir.
11
Na: 1s 2s 2p 3s
2
11
2
6
1
Na: 6Ne@ 3s 1
Alıştırma
17
Cl atomunun temel hâl elektron dağılımını spdf ve orbital diyagramı ile gösteriniz.
Tablo 1.6’da 1 H ’den başlayarak
36
Kr ’a kadar elementlerin te-
mel hâl elektron dağılımları spdf ve soy gaz elektron dağılımı
kullanılarak gösterilmiştir.
53
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
Tablo 1.6: Bazı element atomlarının temel hâl elektron dağılımları
Atom
numarası
54
Sembol
1
H
2
He
spdf gösterimi
1
1s
Elektron dağılımı
1s2
2
Soy gaz elektron dağılımı kullanılarak gösterimi
–
–
1
3
Li
1s 2s
4
Be
1s2 2s2
5
B
1s2 2s2 2p1
6
C
1s2 2s2 2p2
7
N
1s2 2s2 2p3
8
O
1s2 2s2 2p4
9
F
1s2 2s2 2p5
10
Ne
1s2 2s2 2p6
11
Na
1s2 2s2 2p6 3s1
12
Mg
1s2 2s2 2p6 3s2
13
Al
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
14
Si
1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
15
P
1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
16
S
1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
17
Cl
1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
18
Ar
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
19
K
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
20
Ca
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
21
Sc
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
22
Ti
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
23
V
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3
24
Cr
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
25
Mn
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
26
Fe
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
27
Co
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7
28
Ni
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8
29
Cu
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
30
Zn
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10
31
Ga
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1
32
Ge
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2
33
As
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3
34
Se
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p4
35
Br
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5
36
Kr
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6
6He@ 2s1
6He@ 2s2
6He@ 2s22p1
6He@ 2s22p2
6He@ 2s22p3
6He@ 2s22p4
6He@ 2s22p5
6He@ 2s22p6
6Ne@ 3s1
6Ne@ 3s2
6Ne@ 3s23p1
6Ne@ 3s23p2
6Ne@ 3s23p3
6Ne@ 3s23p4
6Ne@ 3s23p5
6Ne@ 3s23p6
6Ar@ 4s1
6Ar@ 4s2
6Ar@ 4s23d1
6Ar@ 4s23d2
6Ar@ 4s23d3
6Ar@ 4s13d5
6Ar@ 4s23d5
6Ar@ 4s23d6
6Ar@ 4s23d7
6Ar@ 4s23d8
6Ar@ 4s13d10
6Ar@ 4s23d10
6Ar@ 4s23d104p1
6Ar@ 4s23d104p2
6Ar@ 4s23d104p3
6Ar@ 4s23d104p4
6Ar@ 4s23d104p5
6Ar@ 4s23d104p6
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
9. sınıfta öğrendiğiniz gibi iyonik bileşikler iyonlardan oluşur.
İyon denildiğinde anyonlar ve katyonlar aklımıza gelir. Peki, an-
Bilgi Kutusu
yonlar ve katyonların elektron dağılımları nasıl yazılmalıdır?
İyonların elektron dağılımlarını yazmak için nötr atomlar için
kullandığımız yöntemde biraz değişiklik yapılmalıdır. Nötr atomun elektron dağılımı s ya da p orbitalleri ile sonlanıyorsa katyon
Katyonlar oluşurken elektronlar, en büyük n ve en büyük , değerine sahip orbitallerden ayrılır.
oluşurken en yüksek n sayısına sahip tabakadan bir ya da daha
fazla elektron uzaklaşır. Aşağıda bazı nötr atomlar ile oluşturdukları katyonların elektron dağılımları spdf ve soy gaz elektron
dağılımı ile gösterilmiştir.
20
20
14
14
Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 Ca : 1s 2s 2p 3s 3p
Ca: 6Ar@ 4s 2 Ca 2+: 6Ar@
Si: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 Si : 1s 2s 2p
Si: 6Ne@ 3s 2 3p 2 Si 4+: 6Ne@
2+
4+
2
2
2
2
6
2
6
6
Anyon oluşurken en yüksek n sayısına sahip kabuğa bir ya
da daha fazla elektron gelir. Aşağıda bazı nötr atomlar ile oluşturdukları anyonların ve katyonların elektron dağılımları spdf ve
soy gaz elektron dağılımı ile gösterilmiştir.
16
16
17
17
15
15
S: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 22
2
6
2
6
S : 1s 2s 2p 3s 3p 6+
2
2
6
S : 1s 2s 2p S: 6Ne@ 3s 2 3p 4 S 2-: 6Ne@ 3s 2 3p 6 ya da 6Ar@ S 6+: 6He@ 2s 2 2p 6 ya da 6Ne@ Cl: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Cl 1-: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Cl 7+: 1s 2 2s 2 2p 6
Cl: 6Ne@ 3s 2 3p 5 Cl 1-: 6Ne@ 3s 2 3p 6 ya da 6Ar@ Cl 7+: 6He@ 2s 2 2p 6 ya da 6Ne@ P: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 P 3-: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 P 5+: 1s 2 2s 2 2p 6
P: 6Ne@ 3s 2 3p 3 P 3-: 6Ne@ 3s 2 3p 6 ya da 6Ar@ P 5+: 6He@ 2s 2 2p 6 ya da 6Ne@
Örnekleri incelediğinizde, oluşan her bir iyonun soy gaz yapısına sahip olduğunu gözlemleyeceksiniz.
Nötr hâldeki elektron dağılımı ^n - 1h d orbitalleri ile sonlanan
atomlarda elektron, d orbitallerinden önce ns orbitaline yerleşir.
Bu atomlar katyon oluştururken de elektronlar öncelikli olarak en
dıştaki ^n - 1h d orbitallerinden değil, bir önceki ns orbitallerinden
uzaklaşır. Bu orbitaller boşaldıktan sonra ayrılacak elektronlar
Bilgi Kutusu
3d orbitallerinde bulunan
elektronlar çekirdeğe daha yakın olduğundan 4s orbitalindeki
elektronlardan daha çok çekilir.
Bu nedenle önce 4s elektronları
verilir.
55
1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ
^n - 1h d orbitallerinden ayrılır. Aşağıda,
26
Fe nötr atomu, +2 ve +3 yüklü katyonlarının elektron dağılımı
verilmiştir.
26
Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 26
Fe: 6Ar@ 4s 2 3d 6
Fe 2+: 6Ar@ 3d 6
Fe 2+: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 Fe 3+: 6Ar@ 3d 5
Fe 3+: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 Alıştırma
Aşağıdaki atomların nötr hâllerinin ve belirtilen iyonlarının elektron dağılımlarını yazınız.
1. 9 F - F 2.
13
Al - Al 3+ 3.
28
Ni - Ni 2+ 4.
25
Mn - Mn 5+
Etkinlik: Atomun Kuantum Modeli ile İlgili Öğrendiklerimizi Kontrol Edelim
Aşağıda konumuzla ilgili bilgiler içeren cümlelerden doğru ve yanlış olanları belirleyerek uygun
kutucuğu işaretleyiniz.
D
1.
d orbitallerinin açısal momentum kuantum sayısı 2’dir.
2.
p orbitallerinin açısal momentum vektörlerinin üç farklı yönde olduğu
Y
px, py, pz şeklinde gösterilir.
3.
3. kabukta bulunan p orbitallerinin enerjileri px, py, pz sırasında artar.
4.
Aynı baş kuantum sayısına sahip orbitaller topluluğuna kabuk adı
verilir.
5.
6.
28
Ni atomunun temel hâl elektron dağılımı 3d 10 orbitali ile sonlanır.
Bohr Atom Modeli’ndeki yörüngelerin yerini kuantum modelinde
orbitaller topluluğu olan kabuklar almıştır.
7.
8.
İki elektrona ait dört kuantum sayısı değeri aynı olabilir.
31
Ga
1+
iyonunun elektron dağılımı 4p 1 orbitali ile sonlanır.
Alıştırma
Aşağıdaki atomların ve oluşturdukları iyonların elektron dizilimlerini spdf ve soy gaz elektron dağılımı ile yazarak orbital diyagramlarını çiziniz.
1.
56
12
Mg - Mg 2+ 2.
22
Ti - Ti 2+ 3. 8 O - O 2- 4.
35
Br - Br 1-