PERİYODİK ÇİZELGE - E-Universite

PERĐYODĐK ÇĐZELGEYrd.Doç.Dr. İbrahim İsmet ÖZTÜRK

8.1. PERĐYODĐK ÇĐZELGENĐN GELĐŞMESĐ8.2. ELEMENTLERĐN PERĐYODĐK SINIFLANDIRILMASIKatyon ve Anyonların Elektron Dağılımları8.3.FĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERDEKĐ PERĐYODĐK DEĞĐŞĐMLEREtkin Çekirdek YüküAtom YarıçaplarıĐyon Yarıçapı8.4. ĐYONLAŞMA ENERJĐSĐ8.5. ELEKTRON ĐLGĐSĐ8.6. BAŞ GRUP ELEMENTLERĐ VE SOYGAZLARINKĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐ

8.1. PERĐYODĐK ÇĐZELGENĐN GELĐŞMESĐĐlk olarak 1864 yılında Đngiliz kimyacı John Newlands, bilinenelementlerin atom kütlelerine göre sıraya dizildiklerinde, her 8 elementin benzerözelliklere sahip olduğunun farkına vardı fakat ortaya koyduğu bu yasanınkalsiyumdan sonraki elementler için yetersiz olduğu ortaya çıktı. Beş yıl sonra Ruskimyacı Dimitri Mendelyev ve Alman kimyacı Lothar Meyer, birbirlerindenbağımsız olarak, elementler için çok geniş ve kapsamlı bir çizelge önerdiler.Mendelyev’in sınıflandırması, iki nedenden ötürü Newlands’ın kine göre dahaüstündü. Birincisi, Mendelyev elementleri özelliklerine göre çok doğru şekildegruplandırmıştı. Đkincisi ise, henüz keşfedilmemiş bazı elementlerin özelliklerinitahmin etmişti.

8.2. ELEMENTLERĐN PERĐYODĐK SINIFLANDIRILMASIPeriyodik çizelge hidrojenle başlar ve alt kabuklar sırayla dolar. Dolmayabaşlayan alt kabuğun tipine göre elementler; baş grup elementleri, soy gazlar, geçişelementleri, lantanitler ve aktinitler gibi sınıflara ayrılırlar. Baş grup elementleri 1Ave 7A grubuna kadar olan elementleri içerir ve bu elementlerin hepsinde, en yüksekbaş kuantum sayısının s ve p alt kabukları tam olarak dolmamıştır. Helyumusaymazsak, soy gazların hepsinde (8A grubu) p alt kabuğu tam olarak dolmuştur.Geçiş metalleri yada geçiş elementleri 1B deki ve 3B den 8B ye kadar olanelementlerdir. Bunlar ya tam dolmamış ya da iyonlarında tam dolmamış d altkabuğu taşırlar. 2B grubu elementleri Zn, Cd ve Hg dır. Bunlar ne baş grupelementi nede geçiş metalidir. Lantanitler ve aktinitler f alt kabukları tam doluolmadığı için, f-bloğu geçiş elementleri olarak adlandırılırlar.

1A grubu elementlerinin her biri bir soy gaz çekirdeğine ve bir ns 1 dışelektron dağılımına sahiptir. Benzer şekilde 2A metalleri de bir soy gaz çekirdeğineve bir ns 2 dış elektron dağılımına sahiptir. Bir atomun dış elektronları genellikledeğerlik elektronları adını alır.

Katyon ve Anyonların Elektron DağılımlarıBir çok iyonik bileşik, tek atomlu anyonlar ve/veya katyonlardan oluşur.Đyonların elektron dağılımını yazmak istediğimizde nötür atomlar içinkullandığımız yöntemi biraz değiştirmemiz gerekir. Đyonları iki gruptainceleyebiliriz.Baş Grup Elementlerinden Türemiş ĐyonlarBu elementlerin nötür atomlarından bir katyon oluşurken, en yüksek nsayısına sahip tabakadan bir yada daha fazla elektron uzaklaşır.

Anyon oluşumunda ise, en yüksek n sayısına sahip elektron tabakasına bir yadadaha fazla elektron gelir.Aynı sayıda elektrona sahip atomlar ile iyonlar veya aynı sayıda elektronasahip olan iyonların temel haldeki elektron dağılımları aynıdır. Elektron sayıları eşitolan bu gibi atom veya iyonlara izoelektronik denir. Örneğin F - , Na + ve Neizoelektroniktir.

Geçiş Metallerinden Türemiş KatyonlarBir önceki derste ilk sıradaki geçiş metallerinde, 3d orbitallerinden öncedaima 4s orbitallerinin dolduğunu gördük. Mangan elementini göz önüne alırsak,elektron dağılımı [Ar]4s 2 3d 5 dir. Mn 2+ iyonu oluştuğu zaman, oluşan iyonunelektron dağılımının [Ar]4s 2 3d 3 olacağını bekleriz. Halbuki, Mn 2+ iyonununelektron dağılımı [Ar]3d 5 dir. Mn da 3d orbitallerinden önce daima 4s orbitalleridoluyor olmasına karşın, Mn 2+ iyonu oluşurken 3d orbitali 4s orbitalinden dahakararlı olduğu için, elektronlar 3d orbitalinden değil, 4s orbitalinden uzaklaşır. Bunedenle, bir geçiş metali atomundan bir katyon oluştuğu zaman elektronlar daimaönce ns orbitalinden ve daha sonra (n-1)d orbitalinden uzaklaşır.

8.3.FĐZĐKSEL ÖZELLĐKLERDEKĐ PERĐYODĐKDEĞĐŞĐMLEREtkin Çekirdek YüküBir önceki konuda, çok elektronlu atomlarda çekirdeğe yakın elektronlarındış kabuk elektronları üzerine perdeleyici etkileri olduğunu belirtmiştik. Perdeleyicielektronların varlığı, çekirdekteki pozitif yüklü protonlarla dış elektronlararasındaki elektrostatik çekimi zayıflatır.Etkin çekirdek yükü (Z etkin ), bir elektron tarafından hissedilen yüktür veformülü ile verilir. Burada Z gerçek çekirdek yüküdür yani elementin atomnumarasıdır ve σ (sigma) perdeleme sabiti olarak bilinir. Perdeleme sabiti sıfırdanbüyük Z den küçüktür.Atom YarıçaplarıAtomun yarıçapı, komşu iki metal atomunun çekirdekleri arasındakiuzaklığın yarısıdır.

Etkin çekirdek yükü arttığında çekirdeğin elektronlar üzerine uyguladığıkuvvet de artar ve atom yarıçapları küçülür. Örneğin Li dan F a kadar olanelementleri göz önüne alalım. Soldan sağa doğru ilerlediğimizde çekirdek yüküartarken iç kabuktaki (1s 2 ) elektron sayısının sabit kaldığı görülür.Artan çekirdek yükü nedeniyle çekirdeğe eklenen elektronlar aynı kabuktaolduklarından, birbirlerini etkin bir şekilde perdelemezler. Sonuç olarak başkuantum sayısı sabit kalırken etkin çekirdek yükü düzenli olarak artar. Etkinçekirdek yükü artarken de doğal olarak atom yarıçapı düzenli bir şekilde azalır.

Bir grup içerisindeki elementlerde atom numarası arttıkçaatom yarıçapıda artar. 1A grubundaki alkali metallerde en dıştakielektronlar ns orbitalinde bulunurlar. Artan baş kuantum sayısı n ilebirlikte, orbital hacimleride arttığı için Li dan Cs a doğru metalatomlarının hacmi de artar. Hacminin artmasıda atom yarıçapınınartması demektir.

Đyon YarıçapıĐyon yarıçapı; bir katyon veya bir anyonun yarıçapıdır. Nötür bir atom biriyona dönüştüğünde hacminin değişmesi beklenir. Eğer atomdan bir anyon oluşursayarıçapı artar, çünkü çekirdek yükü aynı kalırken gelen elektron veya elektronlarınneden olduğu itme kuvvetleri elektron bulutunun hacmini genişletir. Diğer taraftan,atomdan bir veya daha fazla elektron uzaklaşırsa, elektron itmesi azalır, ancakçekirdek yükü aynı kaldığından elektron bulutu büzülür ve katyonun hacmiatomdan daha küçük olur.Farklı gruplardaki elementlerden türemiş olan iyonlar, eğer izoelektronikiseler, hacimleri karşılaştırılabilir. Đzoelektronik iyonlarda katyonlar anyonlardandaha küçük hacme sahiptir. Örneğin Na + iyonu F - dan daha küçüktür. Bu iyonlarınher ikisi de aynı sayıda elektrona sahiptir fakat Na + (Z = 11), F - (Z = 9) dan dahafazla protona sahiptir. F - un yarıçapının büyük olmasının nedeni Na + nın sahipolduğu büyük etkin çekirdek yüküdür.

8.4. ĐYONLAŞMA ENERJĐSĐEn dıştaki elektronların kararlılığı doğrudan atomun iyonlaşma enerjisi ilebağlantılıdır. Đyonlaşma enerjisi, gaz halindeki bir atomun temel halinden birelektronu uzaklaştırmak için gerekli olan minimum enerjidir. Atomlar gaz fazındaolması gerekir. Çünkü gaz halindeki atomlar çevresindeki komşu atomlardan vemoleküller arası kuvvetlerden hemen hemen hiç etkilenmezler. Bu koşullardaölçülen enerji miktarı iyonlaşma enerjisidir.Đyonlaşma enerjisinin büyüklüğü atomdaki elektronun ne kadar sıkıtutulduğunun bir ölçüsüdür. Đyonlaşma enerjisi yüksek ise elektronu atomdanuzaklaştırmak son derece zordur. Çok elektronlu bir atomda, atomun temel halindenilk elektronu uzaklaştırmak için gerekli olan enerjinin miktarı birinci iyonlaşmaenerjisi (I 1 ) olarak tanımlanır.

Đkinci iyonlaşma enerjisi (I 2 ) ve üçüncü iyonlaşma enerjisi (I 3 ) aşağıdaki eşitliktegösterilmiştir.Bir atomdan bir elektron uzaklaştığı zaman, kalan elektronlar arasındaitme kuvveti azalır. Çekirdek yükü sabit kaldığından, pozitif yüklü iyondan başkabir elektronu uzaklaştırmak için daha fazla enerji gerekir. Bu nedenle, iyonlaşmaenerjisi yandaki sırayla değişir.Đyonlaşma daima endotermik (ısı alan) bir işlemdir. Elementlerin birinciiyonlaşma enerjilerinin bir periyotta atom numarasıyla birlikte arttığına dikkatedilmelidir. Bunun nedeni, etkin çekirdek yükünün soldan sağa doğru artmasıdır.Etkin çekirdek yükünün büyük olması, dış elektronun çok sıkı tutulduğu anlamınagelir. Soy gazların iyonlaşma enerjileri çok yüksektir ve sebebi temel haldekielektron dağılımlarının çok kararlı olmasıdır.

1A grubu elementlerinin birinci iyonlaşma enerjileri çok düşüktür. Buelementler birer değerlik elektronuna sahiptir ve bu elektron tamamen dolu olan içkabuklardaki elektronlar tarafından etkili bir şekilde perdelenir. Bu nedenle, dışkabuktaki bu elektron, kolayca uzaklaştırılabilir ve atom tek pozitif yüklü iyonadönüşür.

8.5. ELEKTRON ĐLGĐSĐElektron ilgisi, gaz halindeki bir atomun bir elektron alarak anyonadönüştüğünde meydana gelen enerji değişimi, olarak tanımlanır. Đşareti negatiftir.Gaz halindeki bir flor atomunun bir elektron almasıyla oluşan tepkimeyiinceleyecek olursak;Florun elektron ilgisinin değeri +328 kJ/mol olarak gösterilir. Birelementin elektron ilgisinin değeri çok pozitif ise elektron kabul etme eğilimibüyük demektir. Elektron ilgisi bir başka şekilde de; anyondan bir elektronkoparmak için gerekli olan enerji miktarı olarak tanımlanır. Florür için aşağıdakidenklem yazılabilir;

Đyonlaşma enerjisinin değerinin yüksek olması, atomdaki elektronun çokkararlı olduğunu, elektron ilgisinin değerinin pozitif olması da, negatif iyonun çokkararlı olduğunu, yani atomun elektronu almaya karşı çok istekli olduğunu belirtir.Periyod boyunca soldan sağa doğru elektron ilgisinin arttığı görülmektedir.Grup içerisinde elektron ilgilerinin değişimi genellikle küçüktür. 7A grubuelementleri, yani halojenler, en yüksek elektron ilgisine sahiptir. Çünkü halojenatomu bir elektron kazandığında hemen sağındaki soy gazın kararlı elektrondağılımına sahip olur.Oksijen atomunun elektron ilgisi pozitiftir (141 kJ/mol), yani ekzotermikbir tepkimedir. Tepkimenin denklemi şöyle yazılabilir:Diğer yandan O - iyonunun elektron ilgisi son derece negatiftir (-780 kJ/mol) vetepkime denklemi;

O 2- iyonu bir soy gaz olan Ne ile izoelektronik olmasına rağmen, endotermiktir. Butepkime gaz fazında oluşmaya yatkın değildir, çünkü ilave olarak gelen elektronla,mevcut elektron arasındaki itme sonucu meydana gelen kararsızlık, soy gazyapısına ulaşmakla kazanılan kararlılıktan daha büyüktür. O 2- gaz fazında kararsızolmasına karşın, katı iyonik bileşiklerde, örneğin, Li 2 O, MgO vb. oldukça kararlıbir iyondur. Katı bileşiklerdeki O 2- iyonu komşu katyonlar tarafından kararlı halegetirilir.

8.6. BAŞ GRUP ELEMENTLERĐ VE SOYGAZLARINKĐMYASAL ÖZELLĐKLERĐHidrojen (1s 1 )Periyodik çizelgede hidrojen için uygun bir konum yoktur. Hidrojengeleneksel olarak 1A grubunda gösterilse de, aslında kendi başına bir grup olabilir.

1A Grubu Elementleri (ns 1 , n≥2)Bu grup elementler alkali metaller olarak bilinir. Đyonlaşma enerjileridüşüktür. Yaptıkları bileşiklerin büyük çoğunda 1+ yüklü iyonlar oluştururlar.Doğada asla saf halde bulunmazlar. Suyla tepkimeye girerek hidrojen gazı vekarşılık gelen metal hidroksitleri verirler. Hava ile temas ettikleri zaman oksijenlebirleşerek oksitlerini oluştururlar.

2A Grubu Elementleri (ns 2 , n≥2)Toprak alkali metalleri olarak bilinirler. Alkali metallere göre etkinlikleribiraz azdır. Birinci ve ikinci iyonlaşma enerjileri Berilyumdan Baryum’a doğruazalır. Toprak alkali metaller M 2+ iyonlarını oluşturma eğilimindedirler. Berilyumsu ile tepkimeye girmezken, magnezyum su buharı ile tepkimeye girer. Bunakarşılık kalsiyum, stronsiyum ve baryum soğuk suda bile tepkimeye girer. Toprakalkali metallerin oksijene karşı olan etkinlikleri Berilyum’dan Baryum’a doğruartar.

3A Grubu Elementleri (ns 2 np 1 , n≥2)3A grubunun ilk üyesi olan Bor yarı metal, diğer üyeleri metaldir. Borikili iyonik bileşikler oluşturmaz, oksijen gazı ve su ile tepkime vermez.Aluminyum havada bırakıldığında kolayca aluminyum oksit bileşiğini oluşturur.Aluminyum yalnızca 3+ yüklü iyonlar oluşturur. 3A grubunun diğer elementleri isehem 1+ hem de 3+ yüklü iyonlar oluşturur.

4A Grubu Elementleri (ns 2 np 2 , n≥2)Karbon bir ametaldir. Silisyum ve Germanyum ise yarı metaldir. Kalayve Kurşun ise metaldir. 4A grubu elementleri hem 2+ hem de 4+ yükseltgenmebasamağına sahip bileşikleridir.

5A Grubu Elementleri (ns 2 np 3 , n≥2)Azot ve fosfor ametal, arsenik ve antimon yarı metal, bizmut ise metaldir.Bu yüzden grup içinde elementlerin özelliklerinde büyük değişimler beklenebilir.

6A Grubu Elementleri (ns 2 np 4 , n≥2)Oksijen, Kükürt ve Selenyum ametal, Tellür ve Polonyum yarı metaldir.Oksijen iki atomlu bir gazdır. Elementel kükürt ve selenyumun molekül formülleriS 8 ve Se 8 dir. Tellür ve Polonyum kristal yapılar oluştururlar. Polonyum radyoaktifbir element olduğu için laboratuarda çalışılması zordur.

7A Grubu Elementleri (ns 2 np 5 , n≥2)7A grubu elementleri halojenürlerdir ve tümü ametaldir. X 2 genel formülüile gösterilirler. Etkinlikleri çok yüksek olduğundan doğada asla element haldebulunmazlar. 7A grubunun son elementi olan Astatin rodyoaktif bir elementtir veözellikleri hakkında çok az şey bilinmektedir. Halojenlerden türeyen anyonlarhalojenürlerdir.

8A Grubu Elementleri (ns 2 np 6 , n≥2)Soy gazlar olarak bilinirler. Tamamı tek atomlu halde bulunur.Atomlarında ns ve np alt kabukları tamamen doludur ve bu doluluk kararlıolmalarını sağlar. 8A grubunun iyonlaşma enerjileri bütün elementler arasında enyüksek değerlere sahiptir.