Ünite 1: atomun yapisi bölüm: Atom ve Elektrik

Michael Faraday 1830’larda sulu çözeltisinden elektrik akımı geçirilen maddenin kimyasal yapısında değişiklik meydana geldiğini saptamıştır. Böylece maddenin elektriksel yapısı hakkında ipuçları elde etmiştir.
Katot tepkimesi: (indirgenme) 2 Ag
+ + 2e
- 2Ag
(k)
Anot tepkimesi: (yükseltgenme) 2Cl
- Cl
2(g) + 2e
-
__________________________________________________________
Net tepkime: 2 Ag
+ + 2Cl
- 2Ag
(k) + Cl
2(g)
M. Faraday’ elektrolit olan bir AgNO3 çözeltisini elektroliz etmiştir ve 2 temel sonuca ulaşmıştır:
-
Elektrotlarda toplanan madde miktarı (m) ile devreden geçen yük miktarı (Q) doğru orantılıdır. Bu da,
m= A.I.t formülü ile hesaplanır.
Burada A, maddeye bağlı bir sabit, I devreden geçen akım miktarı, t saniye cinsinden elektroliz süresi dir.
Elekrik yük miktarı=Q=I.t olduğuna göre,
AgNO3 çözeltisinden 1,118 mg Ag açığa çıkaran elektrik yük miktarı (Q) = 1 Coulomb’tur.
96500 Coulomb = 1 Faraday lık yük = 1 mol e- yükü =1 eşdeğer kütle (MA/a)
(a=değerlik)
Örneğin Al un 1 eşdeğer kütlesi = 27/3=9 gram
Ca un 1 eşdeğer kütlesi = 40/2 = 20 gram
Na un 1 eşdeğer kütlesi = 23/1 = 23 gram
m= A.Q şeklinde yazılabilir.
2- Farklı maddeler aynı miktar elektrik akımı ile elektroliz edildiğinde elektrotlarda toplanan madde miktarları elementin değerliğine (a) na bağlıdır. Örneğin,
Hg(ClO4)2 çözeltisinden (a= 1, Hg
+) 6,05 g Hg biriktirmek için gerekli elektrik yük miktarı
Hg2(ClO4)2 çözeltisinden (a= 2, Hg
+2) geçirildiğinde 12,10 g Hg birikir. Bir başka değişle bir metalin farklı bileşikleri aynı miktar elektrikle elektroliz edildiğinde elde edilen metalin kütleleri arasında basit bir katlı oran vardır. (12,10/6,05=2 gibi)
SONUÇ: Elektroliz deneyinde devreden geçen akım anotta ve kattotta bir miktar madde oluşturduğuna göre elektrik enerjisi ve atom aynı + ve – yüklü tanecikler içermektedir.
Soru: CaF
2 tuzunun eriyiği 9,65 Amper ile 400 saniye elektroliz ediliyor. Katotta toplanan maddenin kütlesini bulunuz. (Ca:40)
1. yol
Soru: Sıvı MgCl
2 9.65 amperlik bir akımla ve 100 saniye süre ile elektroliz edilirse kattota kaç gram magnezyum (Mg) toplanır) (Mg:24)?
Katot Işınları
-
Gazlar normal koşullarda elektriği iletmez, ancak iki ucuna elektrot konmuş ve içindeki gaz basıncı düşürülmüş bir cam tüp yüksek voltajda bir elektrik akımına bağlandığında, katottan anoda doğru giden ışınların varolduğu gözlenmiştir(Plücker,1858). 1876 da Goldstein bu ışınlara katot ışınları adını vermiştir.
-
Thomson katot ışınlarının yalnızca sıradan parçacıklar değil, aslında o zamana dek bölünemez olduğu düşünülen atomun yapıtaşları olduğunu ortaya koymuştur. Katot ışınlarını elektrik ve manyetik alanda incelemeye devam eden Thomson bu ışınların elektrik alanda (+) plaka tarafından çekilip (-) plaka tarafından itildiğini gözlemlemiş ve katot ışınlarının (-) yüklü olduğunu ve yük/kütle oranını hesaplamıştır. Bu oran e/m = 1,789. 108 Coulomb/gram dır. (Thomson elektrona ait yük/kütle oranını hesaplamış ancak yükü ve kütleyi ayrı ayrı hesaplayamamıştır.).
-
Bu katot ışınlarına 1891’de G.J. Stoney tarafından elektron adı verilmiştir.
SONUÇ:
-
Katot ışınları (-) yüklüdür.
-
Katot ışınlarının özelliği tüpteki gazın ve elektrotların cinsine bağlı değildir.
-
Katot ışınını oluşturan tanecikler hem maddenin hemde elektriğin yapısında vardır.
R.A. Millikan Deneyi
Thomson bir elektronun yük/kütle (e/m) oranını hesaplamış (1,789.10
8 Coulomb/gram )ancak yükü ve kütlesini ayrı ayrı hesaplayamamıştı.
R.A. Millikan meşhur yağ damlası deneyi ile 1 elektronun yükünü -1,602.10-19 Coulomb olarak, Thomson’un e/m formulünde yerine koyarak
1 elektronun kütlesini de 9,11.10-28 gram olarak hesaplamıştır. 1 elektronun kütlesi en küçük atom olan Hidrojenin kütlesinden1840 kat daha küçüktür.
1908’de gerçekleştirilen Millikan deneyinde, çok küçük yağ damlacıkları, yüklü plakalar arasına püskürtülür ve X ışınları ile ışınlandırılır. X ışınlarının havadaki gaz taneciklerine çarparak kopardığı elektronlar, yağ tanecikleri tarafından tutulur ve onların (-) yüklenmesine neden olurlar. Düzenekte üst plaka (+), alt plaka (-) yüklendirilerek, (-) yüklü yağ damlacıklarının düşmesi durdurulabilir. Damlacığın kütlesi ve damlacığı durdurmak için plakalara uygulanacak yük bilinirse, her damlacık üzerindeki yük hesaplanabilir.
Kanal Işınları
Madde, dolayısıyla maddeyi oluşturan atomların elektrikçe nötr oldukları göz önünde tutulacak olursa, elektronları nörtleşecek sayıda pozitif elektrik miktarının atom içinde olması gerekir. Eğer katot ışınları tüpünde üstünde delikler açılmış bir katot kullanılırsa, tüpün katot arkasında kalan yüzeyinde ve katot ışınlarına ters yönde, ikinci bir ışıldama görülür. Çünkü tüpte elektron akımı sırasında katottan fırlayan elektronlar, nötral gaz atomları ile çarpışarak, onların elektron kaybetmesine ve pozitif yüklü parçacıklar haline gelmesine yol açarlar. Bu parçacıklar katot tarafından çekilir ve bir kısmı katot üzerindeki deliklerden geçerek tüpün yüzeyine çarpıp ışıldama yaparlar. Bunlara pozitif ışınlar veya kanal ışınları denir. Kanal ışınları ilk defa 1886’da E. Goldstein tarafından gözlenmiştir.
Kanal ışınlarını elektrik ve manyetik alanda inceleyen
Thomson ve
Wien bu pozitif yüklü parçacıkların e/m değerlerini bulmuşlardır. Bu oran tüpte kullanılan gazın cinsine göre değişkenlik göstermekle beraber tüpte Hidrojen gazı kullanıldığında en kesin sonuçlar elde edilmiştir. Daha sonra bu pozitif parçacıklara Wien
proton adını vermiş ve 1 protonun yükünü
+1,602.10-19 Coulomb olarak, kütlesini de
1,67.10-24 gram olarak hesaplamıştır. Bu kütle bir elektron kütlesinin 1840 katıdır.
SONUÇ:
-
Kanal ışınları (+) yüklüdür ve bu ışınları oluşturan taneciklere proton adı verilir.
-
Kanal ışınlarının özelliği tüpteki gazın ve elektrotların cinsine bağlıdır.
-
Bir protonun kütlesi bir elektronun kütlesinin yaklaşık 1840 katıdır.
H. Moseley Deneyleri
-
Moseley X ışınları ile yaptığı deneylerde farklı metallerin farklı X ışınları spektrumları (Fraunhofer spektrumu) verdiğini ve elementin atom kütlesi arttıkça yayınlanan ışının frekansınında arttığını gözlemledi. Bu farklılıktan her metalin farklı proton sayısına sahip olduğunu belirledi.
Not: Çok yüksek elektriksel uyarmalarda atomlar X ışınları yayar.
-
X ışınları frekanslarının atomun çekirdeğindeki yükün (protonun) özelliği olduğunu anladı. Buradan yola çıkarak atom numarasının atom çekirdeğinde bulunan (+) yüklerin sayısı olduğunu önerdi. Yani çekirdek yüküne proton sayısı, proton sayısına da atom numarası adını verdi.
-
Elementlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin atom kütlesine değil, proton sayısına bağlı olduğunu ifade etti.
-
Kimyasal değişmelerde proton sayısının değişmediğini açıkladı.
-
Nötr atomlarda proton sayısı elektron sayısına eşittir dedi.
-
Elementleri periyodik cetvelde atom kütlesine göre değil atom numarasına göre yerleştirdi ve böylece eksik olan elementlerin büyük bir kısmı tespit edildi.
2. Bölüm: Atom Modellerinin Tarihsel Gelişimi
Atom kavramına ait ilk tanımlama antik çağlarda henüz kimya bilimi ortaya çıkmadan önce ortaya atıldı. Bu dönemde denemeye değil, yalnız düşünceye dayalı ilk tanımlamayı Democritus adlı filozof yapmıştır. Democritus’a göre atom; maddeleri oluşturan en küçük birimdi. Bu nedenle bu birimlere Yunancada bölünemez anlamına gelen
atomos ismi verilmiştir.
Dalton Atom Modeli:
Katlı oranlar yasasını da bulan John Dalton bilimsel anlamda ilk kez atomu tanımlayan kişi olmuştur. Dalton atom modeli; Kütlenin Korunumu, Sabit Oranlar, Katlı Oranlar yasalarını destekler.
Modelin Varsayımları:
-
Her element atom adı verilen küçük ve bölünemez katı küresel taneciklerden oluşur.(Bilardo topu modeli)
-
Atomlar kimyasal tepkimelerde oluşamaz yada bölünemez. Bu nedenle kimyasal tepkimelerde reaktifler ve ürünlerin atom sayıları birbirine eşittir.
-
Bir elementin tüm atomları birbirinin aynısıdır. Atomların farklı olması için farklı elementlere ait olması gerekir.
-
Bir bileşik oluşurken iki yada daha fazla element belli atom sayıları oranında bir araya gelir.
Modelin Hataları/Eksikleri:
-
Atomların katı, küresel, içi dolu tanecikler olması. (Günümüzde atomun boşluklu yapıya sahip olduğu bilinmektedir.)
-
Bir elementin tüm atomlarının birbirinin aynısı olması. (Günümüzde aynı bir elementin izotopları olduğu bilinmektedir.)
-
Atomların bölünemez olması. (Günümüzde fiziksel yada kimyasal yollarla olmasa da nükleeer yollarla atomların parçalanması mümkündür.)
Thomson Atom Modeli:
Elektronu keşfeden Thomson (elektronu - yüklü tanecikler olarak biliyordu. Elektron adı Goldstein tarafından verildi) O dönemde yapılan başka çalışmalardan protonların varlığını da bildiğinden atomun nötr özellik göstereceğinden emindi ve Dalton’un eksiklerini gidermeyi hedefledi.
Modelin Varsayımları:
-
Atom; yaklaşık 10-10 m çaplı, küre şeklinde, pozitif yüklü bir gövde içinde homojen olarak dağılmış elektronlardan oluşur. (üzümlü kek modeli)
-
Proton ve elektronlar zıt yüklü parçacıklardır.
-
Bir atomda proton ve elektron sayısı eşit olduğundan toplam yük sıfırdır.
-
Elektronlar çok hafif olduğundan atomun kütlesini protonlar oluşturur.
Modelin Hataları/Eksikleri:
-
Kütle spektrometresi ile bir elementin izotopları keşfedildiğinden, izotop kavramına neden olan yani aynı elementin farklı kütlelere sahip izotoplarının var olmasına neden olan nötron taneciğinin varlığını ortaya koyamamıştır.
-
Elektronların pozitif yüklü gövde içinde dağılmış olması. (Günümüzde bunun böyle olmadığı bilinmektedir.)
Rutherford Atom Modeli
1909 yılında
Ernest Rutherford, pozitif yüklü taneciklerolan α (alfa) ışınları demeti ile çok ince (0,0004 cm) altın bir levhayı bombardıman ederek atomun yapısını incelemiştir. Buna göre α (alfa) parçacıklarının büyük çoğunluğunun ince levhadan sapmadan geçtiğini, bazı α (alfa) parçacıklarının levhadan saparak geçtiğini ve α (alfa) ışınlarının küçük bir bölümünün de levhayı geçemeyerek 180
0 sapmayla geri döndüklerini fark etti.
Modelin Varsayımları:
-
Atom kütlesinin neredeyse tamamı atomun merkezindeki çok küçük hacimli bir bölgede bulunur (çünkü az miktarda α (alfa) ışını geriye dönmüştür.). Bu bölgeye çekirdek denir.
-
Atomun çekirdek dışında kalan ve çekirdek hacmine oranla çok büyük olan kısmı boşluktur. (Çünkü α (alfa) ışınlarının büyük bir kısmı levhadan geçmiştir.)
-
Farklı element atomlarının çekirdeklerindeki proton sayıları da farklıdır.
-
Protonların toplam kütlesi atom kütlesinin yaklaşık yarısına eşittir. Dolayısıyla çekirdekte protonlar dışında yüksüz taneciklerde bulunmalıdır.
-
Sayıları protonlara eşit olan elektronlar ise çekirdeğin etrafında bulunur.
-
Çekirdekte protonlarla eşit kütlede yüksüz taneciklerde bulunur. (bunu kanıtlayamamış sadece öngörmüştür.)
Modelin Hataları/Eksikleri:
-
Elektronların niçin çekirdek üzerine düşmediğini açıklayamamıştır. Yani elektronların çekirdek çevresindeki hareketleri açıklanamamıştır.
Not: Rutherford’a göre çekirdek çevresinde dairesel hareket eden elektronlar bir ivme kazanır ve bu nedenle ışıma yaparlar. Yapılan bu ışıma, elektronun enerjisinin düşmesine neden olur ve elektron çekirdeğe yaklaşır. Bu olay sürekli devam ettiğinden atomların sürekli ışıma yapması ve bir süre sonra elektronun çekirdeğin üzerine düşmesi gerekirdi. Kısacası Rutherford Modelinde atomların kesikli çizgi spektrumları açıklanamamıştır.
-
Atom spektrumlarını (ışıma grafiği) açıklayamamıştır.
-
Farklı element atomlarının çekirdeklerindeki proton sayıları da farklıdır. Bu doğru olmakla birlikte nedenini açıklayamamıştır.
Nötronun Keşfi
1932 yılında James Chadwick yaptığı deneylerle farklı element atomlarının kütlesindeki farklılığı yaratan nötron parçacığının varlığını kanıtladı. Yüksüz olduğu için bulunması zor olan bu parçacığın kütlesi yaklaşık olarak protonun kütlesine eşittir (1,67.10-24 gram). Böylece çekirdeğin proton ve nötrondan oluştuğu kanıtlandı.
SORULAR
1-
1-g 2-e 3-f 4-h 5-b 6-c 7-d 8-a 9-j 10-i
-
CuSO4 çözeltisi 5 amperlik akımla 20 dakika elektroliz ediliyor. Katotta kaç gram madde toplanır.? (Cu: 64) (2 g Cu)
-
Erimiş NaCl bir süre elektroliz edildiğinde, katotta 9,2 gram Na açığa çıkıyor. Bu süre içersinde anotta açığa çıkan Cl2 gazı NŞA da kaç litre olur? (Na:23) (4,48 L)
-
Seri bağlanmış elektroliz kaplarının birincisinde AgNO3, ikincisinde Cu(NO3)2 çözeltileri bulunuyor. Belli bir süre elektroliz edildiğinde 1. kapta 2,16 gram Ag açığa çıkıyor. 2. kapta kaç gram Cu açığa çıkar? (Ag:108 Cu:64) (0,64 g Cu) (ip ucu: seri bağlı demek her iki kaptanda aynı miktar akım geçiyor)
-
Dalton Atom Modelinin eksik yönleri nelerdir?
(Dalton atomun yapısı ve atom altı taneciklerin varlığı ile ilgilenmemiştir. Atomun bölünmezliğini savunmuş, ancak bugün için parçalanabildiğini bilmekteyiz. Bir elementin atomlarının şekil, kütle ve hacim bakımından aynı olduğunu savunmuştur. Bugün için izotop kavramı bu savı çürütmektedir.)
-
Thomson Atom Modeli ile Rutherford Atom Modeli arasındaki farkları yazınız.
(Thomson atomun tümünün (+) yükten oluştuğunu ve elektronların bu (+) yük içersinde homojen dağıldığını benimsemiştir. Rutherford ise atomun kütlesinin ve (+) yükün çekirdek denilen küçük bir hacimde toplandığını ve elektronların çekirdek çevresindeki boşlukta yer aldığını benimsemiştir.)
-
Faraday kanunlarını yazınız.
( 1- elektroliz olayında anot ve katotta açığa çıkan gaz ya da toplanan madde miktarı devreden geçen elektrik akımıyla doğru orantılıdır. 2- Elektroliz devresinden 1 mol elektron geçtiğinde anot ve katotta 1 eşdeğer-gram madde toplanır yada çözünür. 3- Farklı maddeler aynı miktar elektrik akımı ile elektroliz edildiğinde elektrotlarda toplanan madde miktarları elementin değerliğine (a) na bağlıdır.)
-
Aşağıdaki ifadeleri D/Y olarak belirtiniz. Y ise doğrusunu yazınız.
-
Dalton’a göre kimyasal tepkimeler atomlarının yeniden düzenlenmeleri sonucu oluşur.(D)
-
Rutherfor’a göre Atom (+) yüklü çekirdeki ve çekirdek etrafında belirli dairesel yörüngelerde büyük bir hızla dolanan elektronlardan oluşmuştur.(Y-Rutherford’a göre elektronlar çekirdek çevresinde bulunur.Ancak elektronların dolandıkları yörünge ve hareket biçimi Bohr atom modelinde açıklanabilmiştir.)
-
Thomson’a göre Atom (+) yüklü bir küredir. (-) yüklü tanecikler bu küre içersinde homojen dağılmıştır. (D)
Elektromanyetik Işımanın Dalga Modeliyle Açıklanması:
Atomlardan çeşitli şekilllerde çıkan ve dalgalar halinde ilerleyen enerji türüne
elektromanyetik ışınlar denir (görünür ışık, radyo dalgaları, X-ışınları...gibi)
Dalga Boyu (): Ardarda gelen dalgalarda 2 tepe yada 2 çukur noktası arasındaki mesafedir.
Genlik (A): Bir tepe ve bir çukur noktası arasındaki mesafenin yarısıdır. Dalganın şiddeti, A
2 ile orantılıdır.
Frekans (√): Belli bir noktadan 1 saniyede geçen dalga sayısıdır. Birimi Hertz (Hz) dir.
-
Bütün elektromanyetik ışınların hızı (c) boşlukta (vakumda) 2,99 x 108 m/s ( ~300.000 km/s) dir.