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 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

I.BÖLÜM: Atom ve Elektrik

Elektrik yükü ilk kez antik dönem insanlarıtarafından ağaç reçinesinin fosilleşmesiyle oluşankehribarın ipek ya da yüne sürtüldüğünde küçükcisimleri çekmesi ile gözlemlenip belirlenmiştir.

Aynı olayı, de plastik bir tarağı saçınızasürttüğünüzde tarağın saçınızı çekmesindenanlayabilirsiniz.

Saçımızı tararken yün kazağımızı çıkarırken çıtırtılarduyulur. Otomobilden inerken kapı kolu ile elarasında elektrik akışı olur. Bu ve benzeriörneklerdeki olayların nedeni elektriklenmedir.

1. Elektriklenme Deneyimlerinden Atoma

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.

Sürtünme ile Elektriklenme:

Etkinliğin Amacı: Farklı elektrik yüklerinin varlığını ayırt edebilme.

Gözlem sonuçlarını tartışınız, sonuçları yanda verilen boşluğa yazınız? Buolayın fiziksel yada kimyasal olay olup olmadığını tartışınız?

ETKİNLİK-1:

2. Faraday’ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı ParçacıklarElektriklenmenin çeşitli maddelere etkisi üzerinde ilk önemliçalışmaları fizik profesörü Alessandra Volta (Alessandra Volta)olmuştur.

Volta, metal çiftler arasındaki etkileşimle oluşan elektriklenmeolayından yararlanarak kendi adını taşıyan pili geliştirmiştir.1800 yılında Volta, “volta pili” yada esinlendiği kişiden dolayı“Galvanik Pil” denilen pili buldu. Volta pilinde elektriği üretenşey, maddenin yapısında oluşan kimyasal değişmedir.

2. Faraday’ın Elektroliz Deneyleri ve Atom Altı Parçacıklar

Düzenekte, metaller bir birlerine bağlandıklarında devreden akım geçtiğigözlenmektedir. Bu akım, maddelerin yapısında bulunan elektronların dişdevreden anottan katoda doğru hareket etmesinden kaynaklanmaktadır.

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?

Etkinliğin Amacı: Volta pilinde bazı kavramların kavratılması

ETKİNLİK-2:

Michael Faraday, (1791, 1867) Londra'da bulunanKraliyet Enstitüsü'nde kimyacı Sir Humphrey Davytarafından verilen kimya konferanslarına katılmaolanağı buldu. Konferanslarda tuttuğu notlarıciltleyerek iş isteyen bir mektupla birlikte Davy'yegönderdi ve 1813'te Davy'nin desteğiyle kimyaasistanı oldu. 1820'de Davy'nin yanındanyardımcılık görevinden ayrıldı. 1825'telaboratuvar müdürlüğüne getirildi. 1833'teenstitüye ders verme mecburiyeti olmaksızınkimya profesörü olarak tayin edildi.Michael Faraday, 1832 ve 1833'te elektrolizin ikitemel kanununun formüllerini buldu

Elektrik enerjisi ile, kimyasal tepkimelerinoluşumunu sağlayan düzeneklere, elektrolitikpil; bu olaya da elektroliz denir. Asit, baz vetuzlar sıvı halde ya da çözeltileri elektrikakımını iletirler. Elektrik akımını ileten busıvılara elektrolit denir.

Elektrolit maddelerden, elektrik akımıgeçirilirse bunların çözeltilerinde bulunankatyonlar indirgenerek katot elektrodunda,anyonlar yükseltgenerek anot elektrodundatoplanırlar.

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.

1. Elektrolizde elektrotlarda açığa çıkanmadde miktarı, devreden geçen yükmiktarına bağlıdır.

(96500 coulomb =1 faradaylık yük=1 mol elektron yükü=1 eşdeğer gram )

2. Elektroliz kaplarından aynı elektrik miktarıgeçirildiğinde, elektrotlarda toplananmaddelerin eşdeğer gram sayıları birbirineeşittir.(Devreden 1 mol elektron geçirildiğinde,anotta ve katotta 1 eşdeğer gram maddetoplanır. (A/e))

Faraday Elektroliz Kanunları:

I : Akım şiddeti (amper) t : Süre (saniye) A : Metalin mol kütlesi n : Metalin değerliği

Örnek:Ergimiş NaCI tuzu 9,65 amperlik akımla 500 saniye elektrolizyapılıyor. 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 3,2gram Cu toplandığında, b kabının katodunda kaç gram Al toplanır?(Cu: 64, Al: 27)

ÇÖZÜM

Seri bağlı elektroliz düzeneğinde ergimiş XCI2 ve YCI3 elektrolizediliyor. Birinci kabın katodunda 0,3 mol X toplanırken ikinci kabınkatodunda 5,4 gram Y toplanmıştır. Buna göre, Y nin atom ağırlığı kaçg/mol dür?

ÇÖZÜM

Örnek:

NOT: Devreden geçen elektron yük miktarı, katotta belli miktarmaddenin açığa çıkmasına sebep oluyorsa, bu maddelerin elektronlarıalarak serbest hale geçtikleri kesindir. Öyle ise elektronlar, maddeninyapısında olan yükseltgenme olayında ortama salındığı gibi, indirgenmeolayında da maddenin yapısına giren taneciklerden başka bir şeydeğildir. Bu düşünceler bilim adamlarını elektronla ilgili çalışmalarayöneltti. Maddenin iç yapısına yönelik çalışmalar bundan sonra hızkazanmıştır.

NOT:

Kaplanmak istenilen madde katot elektrot olarak hazırlanır, kaplamak istediğimiz maddenin çözeltisi hazırlanır ve elektroliz işlemi başlatılır.

KAPLAMACILIK:

Demir kaşığın gümüşle kaplanması olayını düzeneğe bakarak tartışınız? Gerekli anot ve katot tepkimelerini yazınız?

KATOT IŞINLARI Hava ve diğer gazlar,normal durumlardayalıtkandırlar. Ancakbasınç 0,01 mmHg gibiçok küçük bir değeredüşürülüp, gerilim10.000 volt gibi yüksekbir değere çıkartılırsa,gazlar ışık yayarakelektriği iletir.Katottan anoda doğrudik doğrultuda yayılanbu ışınları 1859 daJ.Plucker gözlemledi.1869 Alman fizikçiHittorf bu ışınlarınmanyetik alandapozitif kutba dorukaydığını gördü.

1897 yılında J.J. Thomson, katot ışınlarının elektrikselalanda pozitif kutba yöneldiğini gördü. Bu yönelmedenyararlanarak yük/kütle oranını belirledi.(e/m=-1,7588.108 coul/g). Hızlarını ölçtü veelektronların tüm atomların yapısında olduğunukanıtladı.

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.

Katot Işınları

Katottan çıkan elektronlar anota doğu hareket eder.Anotta şekildeki gibi bir delik açılırsa elektronlar delikten geçerek floresan boya ile kaplı yüzeye B noktasındaçarpar. Böylece ışıklı bir nokta görülmesine neden olur.

Tüpe, elektriksel alan uygulanırsa yani tüpün altına ve üstüne zıt elektrikle yüklenmiş levhalar (saptırıcılevhalar) 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. Diğertaraftan kütlesi ile ters orantılı olması gereği de açıktır. Çünkü büyük kütleli bir parçacık, yüklü levhalarınoluşturduğu elektrostatik çekimden daha az etkilenecektir.Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetik alan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerek tüpünyüzeyinde C noktasına çarpar.

Thomson, deneylerinde elektriksel alana dik belli bir şiddetle manyetik alan uygulayarak elektron demetininsapmasını ölçmüştür. Ayrıca elektriksel alan da uygulayarak sapmayı durdurmuş yani B noktasına getirmiştir.

4. Elektronun Kütlesi ve Yükünün Bulunması

1858’de Julius Plücker (Julyüs Plüker), katot tüpününyakınına bir mıknatıs getirerek oluşan katot ışınlarınıgözlemleyip bu ışınların manyetik alandaki davranışlarınıilk kez inceleyen bilim insanıdır.

Özetlersek;Tüpün anot tarafında küçük bir delik açılarakkatot ışınlarının geçmesi sağlanıyor.Geçen elektron sağnağı doğrusal olarak ilerleyipB noktasına düşüyor.Tüpe elektriksel alan uygulandığında, ışınların +yüklü kutpa doğru kayıp A noktasına düştüğügözleniyor.Elektriksel alana dik olacak şekilde bir manyetikalan uygulanırsa elektronlar eğimli bir yol çizerektüpün yüzeyinde C noktasına çarpıyor.

Thomson; Elektriksel ve manyetik alanların şiddetlerinden yararlanarak elektronlariçin e/m (yük/kütle) oranını; -1,7588 x 1011 Coulumb/kg (e/m=-1,7588.108coul/g) olarak bulunmuştur.

Bu konuda hesaplamalara girilmeyecektir.

Deneyde pülverizatör (püskürteç) denpüskürtülen küresel yağ damlacıkları, kabın üstbölümüne gönderilir.Sis halinde dağılmış küçük yağ damlacıkları,üst levhadaki delikten aşağı inerken budamlacıklara X-ışınları gönderilir.Bu ışınların ortamdaki havayı oluşturan (N2ve O2) moleküller ile çarpışarak kopardığıelektronlar, yağ damlacıkları tarafından tutulurve damlacıklar negatif yüklenir.Üst plaka pozitif (+), alt plaka negatif(-)yüklenirse negatif yüklü yağ damlacıklarınındüşmesi durdurulabildiği gibi damlacıklarınyukarıya hareket etmesi de sağlanabilir. Damlacığın davranışları ve düşme hızı,elektriksel alan yokluğunda (akımuygulanmadığında), mikroskoptagözlemlenerek bulunabilir.

Elektron yükü 1908’de Rabert AndrewsMillikan (Rabıt Endruv Milikan)

tarafından ölçülmüştür. Elektrik yükü şekildeki düzenek ve e/m değeri

kullanılarak hesaplanmıştır.

Damlacığın düşüşünü durdurmak içinuygulanacak yük miktarı bilinirse her damlaüzerindeki yük de hesaplanabilir.Milikan deneyi tekrarladığında yağdamlacıkları üzerindeki yükün en büyük ortakböleninin (ebob) daima -1,6022x1019 coulombdeğerini verdiğini görmüştür.Bunun sonucunda, yağ damlalarının birdenfazla elektron taşıdıkları ve bir yağ damlasıüzerindeki yükün tek bir elektron yükününkatları 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 delilleridaha da güçlendirdi.

Faradayın çalışmalarına dayanarakGeorge Johnstone Stoney (Stoney)atomlarda elektrik yüklü birimlerinulunduğundan söz etti ve 1891 debunlara elektron adının verilmesiniönerdi.Stoney’in elektron adını verdiği negatifyüklü bu taneciklerden her maddedefarklı miktarlarda vardır. Maddeninnötr olması için bu negatif yüklere eşsayıda da pozitif yük bulunmasıgerektiğinden 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.

Tüpün ortasından kanallar açılarak görülebildiğinden dolayı bu ışınlara “kanalışınları” ya da “pozitif ışınlar” denilmiştir.

Kanal ışınları, katot ışınlarının tam tersi yönde hareket ettiklerine göre, buışınlar üzerine yapılan çalışmalar daha kısa sürede tamamlandı. 1898 de Almanfizikçi W. Wien, kanal ışınlarının pozitif elektrik yüklü olduğunu gördü.

Kanal ışınlarının “yük/ kütle” oranını kabaca hesapladı. Bu oran tüpteki gazıncinsine göre değişiyordu. Bunun sebebi; tüpte bulunan gazın cinsine göre farklıiyonların oluşmasıydı.

5. Atomda Elektronun Yükü ile Pozitif Yükler Arasındaki ilişki

Katot ışınları tüp içinde yolalırken, çarptıkları atom ya damoleküllerden elektron koparırlar.Bu elektron sağanağınınoluşturduğu bu pozitif iyonlar,katot yönüne geçerler.

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.

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 birenerji yayılır bu enerjiye x-ışıması diyoruz. Ya da çekirdeğe en yakın “içelektronların” “uyarılmış” durumdan, “temel enerji” duruma inerken ortamasaldıkları “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.

X ışınlarına; 1895 yılında Prof. Röntgen katot ışınlarının etkilerini

araştırırken bulduğu ancak ne olduğunu anlayamadığı

için x-ışınları demiştir.

X-ışınları:

6. Atomun Proton Sayılarının Deneysel Olarak Belirlenmesi

MOSELEY DENEYLERİ:x-ışınları üzerine çalışmalar yapan Mosoley, anottaki metal değiştikçe, oluşan x-ışınınfrekansının da değiştiğini, her elementin kendine özgü bir x-ışını yaydığını gördü.Ancak anotta bulunan metalin x-ışınları vere bilmesi için, anota gelen elektronlarınbelli bir hızla çarpışması gerekmektedir.Ayrıca bu hız da her metal için farklı farklıydı. Metalden çıkan x-ışınları, o metaleözgü 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 elementlerdeyalnızca K serisi vardı, daha sonrakilerde L, ağır metallerde de M serisi gözleniyor.

Atom ağırlığı arttıkça, yayılan x-ışınlarınında frekansının arttığı özleniyordu.Ancak, kullanılan elementinin atomağırlığının, onların çıkarttıkları x-ışınlarıfrekanslarının kare kökü arasında birgrafik çizildiğinde bazı sapmalarınolduğunu gördü. O zamana kadar,elementlerin kimyasal özelliklerinin, atomağırlıklarıyla değiştiği düşünülüyordu.Moseley, atom ağırlı yerine “çekirdekyükü” alındığında bu sapmaların ortadankalktığını gördü.Ayrıca moseley, periyodik tablodaalüminyumdan - altına kadar 38elementin, x-ışınları tayfını inceledi. Buincelemeler 1932’ye kadar uranyumakadar uzatıldı.

Moseley yaptığı deneylerde;Moseley, atomun çekirdeğinde bulunan bu + yüklü

taneciklere proton adını vermiştir.Moseley; X-ışınları tayflarına dayanarak, atomnumaralarını doğru olarak hesaplamayı başarmıştır.Moseley; Kimyasal değişmelerde, çekirdek yükününkorunduğunu ispatlamıştır.Moseley; Elemente kimyasal özelliğini kazandırantaneciğinde “çekirdek yükü”nün olduğunu ispatladı.Moseley; Çekirdek yüküne, “atom numarası” dedi.Moseley; Nötral atomlarda “çekirdek yükü”, “elektronsayısı”na eşittir.Moseley; o güne kadar periyodik tabloda eksik olanelementlerin atom numaralarını tespit etmiştir.

Thomson Atom Modeli1897 yılında Joseph John Thomson, katot ışınlarıylayaptığı deneylerde, “yüksek voltaj uygulanan katotışınlarının, negatif kutup tarafından iletildiğini vepozitif kutba doğru çekildiğini belirledi.” Bu deneysonucuna göre, katot ışınları negatif olmalıydı.Negatif yüklü bu taneciklere “elektron” denildi.

Thomson, yapmış olduğu deneyler sonucuna göreelektronun yükünü ve kütlesini hesaplayamamış,ancak yük/kütle oranını hesaplamıştır.

Elektronun kütlesi çok küçük olduğuna göre, atomunkütlesi pozitif yüke bağlı olmalıydı. Öyle ise atomunhacminin 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.