Elektron (Atomun Yapısı)

Dalton atom kuramına göre. atom bir elementin kimyasal olarak birleşebilen temel birimi olarak tanımlanabilir. Dalton. atomu hem çok çok küçük hem de bölünemez olarak düşünmüştür. Oysa, 1850 li yıllarda başlayıp yirminci yüzyıla kadar uzanan araştırmalar, atomların bir içsel yapısı olduğunu, yani atomların atom altı tanecikler adı verilen daha da küçük taneciklerden oluştuğunu açıkça göstermiştir. Bu araştırmalar elektron, proton ve nötronların keşfine yol açmıştır.

1890 larda birçok bilim adamı radyasyon, yani enerjinin uzayda dalgalar halinde yayımlanması ve iletilmesi konusunda çalışmalar yapmıştır. Bu araştırmalardan elde edilen bilgiler atomun yapısını algılamamıza önemli katkı yapmıştır. Radyasyon olgusunu incelemek için kullanılan araçlardan biri, bu günkü televizyon tüpünün öncüsü olan katöt ışınları tüpüdür (Şekil 1). Katot ışınları tüpü havası hemen hemen tamamen boşaltılmış cam bir tüptür. Tüpte bulunan metal levhalar bir yüksek voltaj kaynağına bağlandığında, katot adı verilen eksi yüklü levha görünmeyen bir ışın yayımlar: bu katot ışını, anot adı verilen artı yüklü levhaya doğru çekilir ve orada bulunan delikten geçip tüpün diğer ucuna doğru hareket eder. Tüpün diğer ucunun yüzeyi özel bir maddeyle kaplanmıştır: katot ışını bu yüzeye çarptığında kuvvetli fluoresans, yani parlak bir ışık oluşur.

Bazı deneylerde katot ışını tüpünün dışına elektrik yüklü iki levha ve bir mıknatıs yerleştirilmiştir (Şekil 1). Manyetik alan etkisinde katot ışını A noktasına, elektrik alanı etkisinde C noktasına çarpar; manyetik ve elektrik alanları birbirlerinin etkisini giderecek şekilde dengelendiğinde veya bu alanlar uzaklaştırıldığında ise katot ışını B noktasına çarpar. Elektromanyetik kurama göre, hareket halinde olan yüklü bir tanecik bir mıknatıs gibi davranır ve içinden geçtiği elektrik veya manyetik alanla etkileşir.

(Şekil 1. Katot ışınlarının hareket ettiği yöne dik konumda bir elektrik alanı ve dışsal manyetik alan bulunan bir katot tüpü. N ve S mıknatısın kuzey ve güney kutuplarını göstermektedir. Katot ışınları manyetik alanın etkisinde tüpiin sonundaki A noktasına, elektrik alanın etkisinde C noktasına, bu alanlar bulunmadığı zaman ya da birbirini yok ettiği zaman ise B noktasına çarpar.)

Katot ışını artı yüklü levhaya doğru çekilip eksi yüklü levha tarafından itildiği için, bu ışının eksi yüklü taneciklerden oluşması gerekir. Bu eksi yüklü tanecikleri elektron olarak tanımlarız. Şekil 2 bir mıknatısın katot ışınına etkisini göstermektedir.

Bir İngiliz fizikçisi olan J. J. Thomson, katot ışını tüpü ve elektromanyetik kuram hakkındaki bilgilerini kullanarak, tek bir elektronun elektriksel yükünün elektronun kütlesine oranını saptamıştır. Thomson’un bulduğu rakam – 1,76 X 108 C/g dır. Burada C elektrik yükü birimi olan coulomb’dur. Daha sonra, Amerikan fizikçi R. A. Millikan, 1908 ile 1917 yılları arasında yaptığı deneylerde, bir elektronun yükünün -1,6022 X 10 19 C olduğunu bulmuş ve bu verilerden bir elektronun kütlesini aşağıdaki gibi hesaplamıştır:

Görüldüğü gibi, elektronun kütlesi çok çok küçük bir kütledir.

(Şekil 2. (a) Bir boşalma tüpünde oluşturulan katot ışını katottan (soldan) anoda (sağa) doğru hareket halindedir. Katot ışını gözle görülemediği halde, cam üzerine kaplanmış çinko sülfür tabakasının fluoresansı sayesinde yeşil renkli görünür, b) Bir mıknatısın kuzey kutbu yaklaştırıldığında, katot ışını aşağıya sapar, diğer kutup yaklaştırılırca ters yöne sapar.)

Kaynak: Genel Kimya, Raymond Chang.

Atom Kuramı

Milattan önce beşinci yüzyılda, Yunan filozofu Democritus, bütün maddeleri, bölünemez veya kesilemez anlamında atomos olarak adlandırılan çok küçük, bölünmez taneciklerden oluştuğunu öne sürdü. Democritus’un bu fikri, özellikle Plato ve Aristo gibi çoğu çağdaşları tarafından kabul edilmemekle birlikte, bir biçimde uzun süre varlığını sürdürmüştür. İlk bilimsel araştırmalardan elde edilen deneysel kanıtlar “atom” kavramına destek sağlamış ve zamanla element ve bileşiklerin modern tanımlanılın yapılmasına yol açmıştır. Bu gün atom adını verdiğimiz, maddenin bölünmez yapı taşlarının tanımı, 1808 yılında, bir İngiliz bilim adamı ve öğretmen olan John Dalton tarafından tam olarak yapılmıştır.

D alton’un çalışmaları kimyada modern çağın başlangıcıdır. Dalton atom kuramı aşağıdaki gibi özetlenebilir:

1. Elementler atom adı verilen son derece küçük taneciklerden oluşurlar.

2. Belli bir elementin bütün atomları birbirinin aynıdır; yani bu atomların boyutları eşittir, hepsi aynı kütleye sahiptir ve kimyasal özellikleri aynıdır. Ancak, bir elementin atomları diğer bütün elementlerin atomlarından farklıdır.

3. Bileşikler birden çok elementin atomlarından oluşmuştur. Herhangi bir bileşikteki iki elementin atom sayılarının oranı bir tam sayı ya da basit tam sayılı bir kesirdir.

4. Kimyasal tepkimeler, yalnızca atomların birbirlerinden ayrılması, birbirleri ile birleşmesi ya da yeniden düzenlenmesinden ibarettir; atomların yok olmasına ya da oluşmasına yol açmaz.

Dalton’un atom kavramı Democritus’unkinden çok daha ayrıntılı ve spesifik (atoma özgü) idi. Örneğin, 2. varsayımda bir elementin atomlarının diğer bütün elementlerin atomlarından farklı olduğu belirtilmiştir. Dalton, atomun yapısını veya içeriğini açıklamaya hiç yeltenmediği, ve atomun gerçekte nasıl bir şey olduğu hakkında fikri olmadığı halde hidrojen ve oksijen gibi elementlerin farklı özellikler göstermesinin, sadece hidrojen atomlarının oksijen atomları ile aynı olmamasıyla açıklanabileceğini biliyordu.

3. varsayımda, bir bileşik oluşturabilmek için belli elementlerin belirli sayıda atomlarına gereksinim olacağına işaret edilmektedir. Bu fikir, Fransız kimyacı Joseph Proust’un 1799 yayınladığı bir yasanın uzantısıdır. Proust’un sabit oranlar yasası bir bileşiğin farklı örneklerinde, bileşiği oluşturan elementlerin kütlece daima aynı oranda bulunduklarını belirtir. Örneğin, farklı kaynaklardan alınmış karbon dioksit gazı örneklerini analiz edersek, örneklerin hepsinde karbon oksijen oranının kütlece aynı olduğunu buluruz. Böylece, bir bileşikteki elementlerin kütlelerinin oram sabit olduğuna göre, bileşikteki elementlerin atomlarının oranı da sabit olmalıdır.

Dalton’un üçüncü varsayımı, diğer bir önemli yasa olan katlı oranlar yasasını da destekler niteliktedir. Bu yasaya göre, iki element birden fazla bileşik oluşturmak üzere birleşebilirse, bir elementin belli bir kütlesi ile birleşen diğer elementin farklı kütleleri arasında küçük tam sayılı bir oran vardır. Dalton kuramı katlı oranlar yasasını basit bir biçimde açıklar: Bu bileşiklerde birleşen elementlerin atomlarının sayısı farklıdır. Örneğin, karbon oksijen ile iki tane kararlı bileşik oluşturur, bunlar karbon monoksit ve karbon dioksittir. Modern ölçüm teknikleri, karbon monoksitte bir karbon atomu ile bir oksijen atomunun, karbon dioksitte ise bir karbon atomu ile iki oksijen atomunun birleşmiş olduğunu gösterir. Buna göre karbon monoksitteki oksijenin karbon dioksitteki oksijene oram 1:2 dir. Bu sonuç katlı oranlar yasası ile uyum içindedir, çünkü bir bileşikteki belli bir elementin kütlesi o elementin atom sayısı ile orantılıdır.

Dalton’un dördüncü varsayımı, madde yoktan var edilemez ve varken yok edilemez diye bilinen kütlenin korunumu yasasının başka bir ifadesidir. Kimyasal tepkimelerde maddeyi oluşturan atomlar değişmediğine göre, kütlenin de yok olmayacağı açıktır. Dalton’un maddenin doğasına ilişkin bu zekice önsezisi, ondokuzuncu yüzyılda kimyanın hızla gelişmesinde en önemli itici güç olmuştur.

 

Yoğunluk

Yoğunluk bir cismin birim hacminin kütlesidir ve cismin kütlesi hacmine bölünerek bulunur:

yoğunluk = kütle / hacim

ya da

d = m / V

Burada d, m ve V sırasıyla yoğunluk, kütle ve hacmi göstermektedir. Görüldüğü gibi yoğunluk bir şiddet özelliği olup, mevcut maddenin kütle miktarına bağlı değildir. V arttığı zaman m de arttığından söz konusu madde için bu iki büyüklüğün oranı sabit kalır.

Yoğunluğun SI den türetilen birimi, metreküp hacim başına düşen kütledir (kg/ m3). Bu birim kimyasal uygulamalar için son derece büyüktür. Bu nedenle, santimetreküp başına gram (g/cm3) ve bunun eşdeğeri olan mililitre başına gram (g/mL) birimleri, sıvı ve katı yoğunluklarım belirtmek üzere yaygın olarak kullanılmaktadır.

Hacim

Hacim uzunluğum küpü olduğundan SI birim sisteminden türetmedir ve birimi metreküptür (m3). Ancak, kimyacılar daha çok santimetreküp (cm3), desimetreküp (dm3) gibi küçük hacimlerle çalışırlar:

1 cm3 = (1 X 10-2 m)3 = 1 X 10-6 m3

1 dm3 = (1 X 10-1 m)3 = 1 X 10-3 m3

SI birim sisteminde olmayan, ancak yaygın olarak kullanılan bir başka hacim birimi ise litredir (L). Bir litre, bir desimetreküp hacime eşittir. Kimyacılar genellikle sıvıların hacmini belirtmek için L ve mL kullanırlar. Bir litre, 1000 mililitre (mL) ya da 1000 santimetreküpe eşittir:

1 L = 1000 mL = 1000 cm3 = 1 dm3

Bir mililitre bir santimetreküpe eşittir:

1 mL = 1 cm3

 

Maddenin Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri

Saf maddeler bileşimleri ile olduğu kadar kendilerine özgü özellikleri ile de ayırt edilebilirler. Bir fiziksel özellik, maddenin özelliği ya da kimyasal yapısı değiştirilmeden incelenebilir ya da ölçülebilir. Örneğin, bir buz kütlesini ısıtıp suya dönüşmesini sağlarken sıcaklık değişimini kaydetmek suretiyle buzun erime noktasını ölçebiliriz. Su sadece görünüş olarak buzdan farklıdır ama bileşim olarak bir farklılık yoktur. Bu bir fiziksel değişimdir ve su dondurularak tekrar buz haline dönüştürülebilir. Buna göre bir maddenin erime noktası fiziksel bir özelliktir. Benzer şekilde, helyum gazının havadan hafif olduğunu söylerken de maddelerin fiziksel özelliklerini karşılaştırıyoruz demektir.

Diğer taraftan, “hidrojen gazı oksijen gazı içinde su oluşturarak yanar” ifadesi hidrojenin bir kimyasal özelliğini belirtir. Çünkü, bu özelliğin gözlenebilmesi için kimyasal bir değişim olması gerekir ve bu değişim yanmadır. Değişimden sonra, çıkış maddeleri olan hidrojen ve oksijenin tüm özellikleri değişmiş, bunların yerini, kimyasal özelliği tamamen farklı olan su almıştır. Hidrojen ve oksijeni, kaynama ya da donmaya benzer bir fiziksel değişim yardımıyla geri kazanmak mümkün değildir.

Yumurtanın suda kaynatılmasıyla yumurtada kimyasal bir değişim gerçekleştirilir. Sıcaklık 100°C dolayına getirildiğinde yumurtanın hem sarısı hem de akı sadece fiziksel görünüşlerini değil, aynı zamanda kimyasal yapılarım da değiştirirler. Yumurta yenildiğinde, vücutta bulunan ve enzim olarak adlandırılan maddelerle etkileşerek tekrar değişime uğrarlar. Midede gerçekleşen bu olay da kimyasal değişime bir başka örnektir. Böyle bir olay sırasında nelerin olduğu, enzim ve gıda içeriğinin kimyasal özelliklerine bağlıdır.

Maddenin ölçülebilir özellikleri iki grupta toplanır: bunlar kapasite özellikleri ve şiddet özellikleri’dir. Kapasite özelliği’nin ölçülen değeri, söz konusu maddenin ne kadarının dikkate alındığına, yani miktarına bağlıdır. Kütle, uzunluk ve hacim birer kapasite özelliğidir. Daha fazla madde daha fazla kütle demektir. Bazı kapasite özelliği değerleri birbirleri üzerine eklenebilir. Örneğin, iki tane bakır paranın kütlesi, iki ayrı bakır paranın kütleleri toplamı kadardır. İki beher suyun işgal ettiği hacim, her iki beherde bulunan su hacimleri toplamına eşittir.

Şiddet özelliği’nin ölçülen değeri, göz önüne alınan maddenin miktarına bağlı değildir. Sıcaklık bir şiddet özelliğidir. Aynı sıcaklıkta ancak farklı miktarlarda iki tane su dolu beher alalım. Bu iki beherdeki suyu daha büyük bir beher içinde bir araya getirecek olursak, su miktarlarına bakılmaksızın sıcaklık başlangıç durumundaki ile aynı olur. Kütle ve hacimden farklı olarak, erime noktası, kaynama noktası ve yoğunluk gibi diğer şiddet özellikleri de toplanamayan özelliklerdir.