AYT 11. sınıf · 1. konu

Modern Atom Teorisi

Kuantum modeli, orbitaller, kuantum sayıları, Aufbau, Pauli ve Hund kuralları, küresel simetri, iyon dizilimleri, bloklar, periyodik özellikler ve yükseltgenme basamakları.

Bu konuda öğreneceklerin

Bohr modelinin nerede yetersiz kaldığını, dalga-parçacık ikiliğini ve belirsizlik ilkesini; orbital ile yörünge arasındaki farkı
Dört kuantum sayısının ($n$, $\ell$, $m_\ell$, $m_s$) anlamını ve alabileceği değerleri; s, p, d, f orbitallerinin sayısını ve şeklini
Aufbau ilkesi, Pauli ilkesi ve Hund kuralıyla elektron dizilimi ve orbital diyagramı yazmayı; küresel simetriyi ve Cr ile Cu istisnalarını
Katyon ve anyonların elektron dizilimini, geçiş metallerinde elektronların önce 4s orbitalinden koptuğunu
Elektron diziliminden periyot, grup, blok ve değerlik elektron sayısını bulmayı
İyonlaşma enerjisi, elektron ilgisi ve elektronegatiflikteki ayrıntıları dizilimle açıklamayı; bileşiklerde yükseltgenme basamağı hesaplamayı

Bohr modeli nerede yetersiz kaldı?

sınıfta Bohr modelini ve hidrojenin çizgi spektrumunu gördün. Bohr'un modeli, elektronun yalnızca belirli enerji düzeylerinde bulunabildiği fikriyle hidrojenin görünür bölgedeki dört çizgisini sayısal olarak doğru hesaplar. Aynı başarı yalnızca bir elektronu olan $\text{He}^{+}$, $\text{Li}^{2+}$ gibi iyonlarda da sürer. Ancak model üç noktada tıkanır:
- Çok elektronlu atomların spektrumlarını açıklayamaz. Helyum atomunun yalnızca iki elektronu vardır, ama çizgilerinin yerini Bohr'un yaklaşımıyla bulmak mümkün olmaz. Elektronlar arasındaki itme modelde hiç yer almaz.
- Spektrum çizgilerinin ince yapısını açıklayamaz. Gelişmiş spektroskoplarla bakıldığında tek sanılan bazı çizgilerin birbirine çok yakın birkaç çizgiden oluştuğu, atom bir manyetik alana konduğunda da çizgilerin yarıldığı görülür. Tek bir $n$ sayısıyla tanımlanan düzeyler bu yarılmaları vermez.
- Elektronu kesin bir yörüngede dolanan bir bilye gibi düşünür. Aşağıda göreceğin belirsizlik ilkesi, bir elektronun yerinin ve hızının aynı anda kesin olarak bilinemeyeceğini söyler; yani elektronun izlediği belirli bir yol çizilemez.

Bohr modeli bu yüzden "yanlış" değil, eksik bir modeldir. Enerjinin kesikli (kuantumlu) olduğu fikri yeni modelde de korunur; değişen, elektronun nerede ve nasıl bulunduğuna dair resimdir.

Dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkesi

Işığın hem dalga hem de tanecik (foton) gibi davrandığı 1900'lerin başında anlaşılmıştı. Louis de Broglie 1924'te bunun tersini önerdi: hareket eden her taneciğe de bir dalga eşlik eder ve bu dalganın boyu taneciğin momentumuyla ters orantılıdır:

$$ \lambda = \frac{h}{m\,v} $$

Burada $h$ Planck sabiti, $m$ kütle, $v$ hızdır. Planck sabiti çok küçük olduğu için bir futbol topunun dalga boyu ölçülemeyecek kadar küçüktür; günlük nesnelerde dalga davranışı hiç fark edilmez. Kütlesi çok küçük olan elektronda ise dalga boyu atomlar arası uzaklıklar düzeyindedir. Nitekim 1927'de bir kristale gönderilen elektron demetinin, X ışınları gibi kırınım deseni oluşturduğu gözlendi. Elektron hem kütlesi ve yükü olan bir tanecik hem de bir dalgadır; buna dalga-parçacık ikiliği denir.

Werner Heisenberg'in belirsizlik ilkesi ise bir taneciğin konumunun ve momentumunun aynı anda istenen kesinlikte ölçülemeyeceğini söyler: birini ne kadar kesin belirlersen öteki o kadar belirsizleşir. Bu, ölçüm aletlerimizin kusurundan değil, doğanın kendisinden kaynaklanan bir sınırdır. Elektronun hem yeri hem hızı kesin bilinemediğine göre "elektron şu anda şu noktada, şu hızla şu yörüngede dönüyor" demek anlamsızdır. Söylenebilecek olan, elektronun çekirdek çevresindeki bir bölgede bulunma olasılığıdır.

Orbital kavramı

Erwin Schrödinger 1926'da elektronun dalga davranışını bir denklemle tanımladı. Bu denklemin çözümleri, elektronun çekirdek çevresinde nerede ne olasılıkla bulunacağını veren fonksiyonlardır. Elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu üç boyutlu bölgeye orbital denir. Orbitalin şekli çizilirken genellikle elektronun zamanının büyük bölümünü (örneğin %90'ını) geçirdiği bölgenin sınırı gösterilir.

Orbital ile yörüngeyi karıştırma. Yörünge, Bohr modelindeki belirli yarıçaplı dairesel yoldur; orbital ise bir yol değil, bir olasılık bölgesidir. Elektronun orbital içindeki hareketi izlenemez; bulunma olasılığı da orbitalin dışında bir anda sıfıra düşmez, yalnızca çok küçülür. Bir orbitalde en fazla iki elektron bulunabilir.

Kuantum sayıları

Schrödinger denkleminin çözümünde her orbital üç tam sayıyla etiketlenir; elektronun kendi özelliği için de dördüncü bir sayı gerekir. Bu dört sayıya kuantum sayıları denir.

Baş kuantum sayısı ($n$): Elektronun bulunduğu enerji düzeyini (katmanı) ve orbitalin büyüklüğünü belirler. $n = 1, 2, 3, \ldots$ gibi pozitif tam sayılardır. $n$ büyüdükçe orbital büyür, elektron ortalamada çekirdekten uzaklaşır ve enerjisi artar.
Açısal momentum kuantum sayısı ($\ell$): Orbitalin şeklini ve alt düzeyi belirler. Bir $n$ değeri için $\ell = 0, 1, 2, \ldots, n - 1$ değerlerini alır; yani $n$. katmanda $n$ tane alt düzey vardır. $\ell = 0, 1, 2, 3$ alt düzeyleri sırasıyla s, p, d, f harfleriyle gösterilir.
Manyetik kuantum sayısı ($m_\ell$): Orbitalin uzaydaki yönelişini belirler. Bir $\ell$ değeri için $m_\ell = -\ell, \ldots, -1, 0, +1, \ldots, +\ell$ olmak üzere $2\ell + 1$ değer alır. Her $m_\ell$ değeri bir orbitaldir.
Spin kuantum sayısı ($m_s$): Elektronun kendine özgü spin özelliğini gösterir ve yalnızca $+\frac{1}{2}$ ya da $-\frac{1}{2}$ olabilir. Orbital diyagramlarında ↑ ve ↓ oklarıyla çizilir.

$n$	$\ell$ değerleri	Alt düzeyler	Orbital sayısı ($n^2$)	En fazla elektron ($2n^2$)
1	0	1s	1	2
2	0, 1	2s, 2p	1 + 3 = 4	8
3	0, 1, 2	3s, 3p, 3d	1 + 3 + 5 = 9	18
4	0, 1, 2, 3	4s, 4p, 4d, 4f	1 + 3 + 5 + 7 = 16	32

Tablodaki toplamlar bir kuralı gösterir: $n$. katmandaki orbitallerin sayısı $1 + 3 + 5 + \ldots + (2n - 1) = n^2$, en fazla elektron sayısı da her orbitalde iki elektron olduğundan $2n^2$'dir. 9. sınıfta "3. katman en fazla 8 elektron alır" diye öğrendiğin kural ilk 20 element için geçerli bir kısa yoldu; 3. katmanın gerçek kapasitesi 3d orbitalleriyle birlikte 18'dir.

Orbital türleri ve şekilleri

s orbitali ($\ell = 0$) küreseldir; çekirdekten her yönde aynı uzaklıkta bulunma olasılığı aynıdır. Her katmanda bir tane s orbitali vardır ve $n$ büyüdükçe küre büyür: 2s orbitali 1s'den büyüktür.

p orbitalleri ($\ell = 1$) iki loblu, halter benzeri şekildedir; çekirdekte elektron bulunma olasılığı sıfırdır. Her katmanda ($n \ge 2$) birbirine dik üç p orbitali bulunur ve eksenlere göre $p_x$, $p_y$, $p_z$ diye adlandırılır. Aynı alt düzeydeki bu üç orbitalin enerjileri eşittir; bunlara eş enerjili orbitaller denir.

d orbitalleri ($\ell = 2$) $n \ge 3$ katmanlarda bulunur ve her alt düzeyde beş tanedir. Dördü dört loblu yonca biçimindedir; beşincisi ($d_{z^2}$) bir eksen boyunca iki lob ve çevresinde bir halkadan oluşur. f orbitalleri ($\ell = 3$) $n \ge 4$ katmanlarda bulunur, yedi tanedir ve şekilleri daha karmaşıktır.

Orbital şekilleri — s küresel, p iki loblu ve birbirine dik üç orbital, d orbitallerinin çoğu dört loblu. Şekiller büyüklüğe göre değil, biçime göre çizilmiştir.

Orbitallerin enerji sırası ve Aufbau ilkesi

Tek elektronlu hidrojen atomunda bir orbitalin enerjisi yalnızca $n$'ye bağlıdır: 2s ile 2p aynı enerjidedir. Çok elektronlu atomlarda ise elektronlar birbirini iter ve iç katmandaki elektronlar dıştakileri çekirdeğin çekiminden kısmen perdeler. s elektronları çekirdeğe daha çok sokulabildiği için bu perdelemeden en az etkilenir; sonuç olarak aynı katmanda enerji sırası $ns < np < nd < nf$ olur. Bu ayrışma o kadar büyüktür ki 4. periyodun başında, potasyum ve kalsiyumda, 4s alt düzeyi 3d'den daha düşük enerjilidir.

Elektronların, atom temel haldeyken en düşük enerjili orbitalden başlayarak sırayla yerleşmesine Aufbau (yapılanma) ilkesi denir. Sırayı ezberlemek yerine kuralı hatırla: önce $n + \ell$ değeri küçük olan alt düzey dolar; $n + \ell$ eşitse $n$'si küçük olan önce dolar. 4s için $4 + 0 = 4$, 3d için $3 + 2 = 5$ olduğundan 4s önce dolar. 3d ve 4p'de toplam 5'tir; $n$'si küçük olan 3d önce gelir.

Alt düzeylerin enerji sırası — Her kutu bir orbital. Sütunlar baş kuantum sayısına göre ayrılmış, yükseklikler doldurulma sırasını gösterir (aralıklar ölçekli değildir).

$$ 1s\ 2s\ 2p\ 3s\ 3p\ 4s\ 3d\ 4p\ 5s\ 4d\ 5p\ 6s\ 4f\ 5d\ 6p\ 7s\ 5f\ 6d\ 7p $$

Köşegen kuralı — Alt düzeyler satırlara yazılır; sağ üstten sol alta inen oklar sırayı verir. Her ok $n + \ell$ değeri aynı olan alt düzeyleri birleştirir.

Pauli ilkesi ve Hund kuralı

Wolfgang Pauli'nin dışlama ilkesi: Bir atomda dört kuantum sayısı da aynı olan iki elektron bulunamaz. Bir orbitalin $n$, $\ell$ ve $m_\ell$ değerleri sabit olduğuna göre o orbitaldeki elektronlar ancak $m_s$ ile ayrılabilir. Bu yüzden bir orbitalde en fazla iki elektron bulunur ve bunların spinleri zıttır (↑↓). Buradan s alt düzeyinin en fazla 2, p'nin 6, d'nin 10, f'nin 14 elektron alacağı çıkar.

Hund kuralı: Eş enerjili orbitallere elektronlar önce birer birer ve aynı spinle yerleşir; her orbitalde birer elektron olduktan sonra eşleşme başlar. Nedeni basittir: aynı orbitali paylaşan iki elektron birbirini daha çok iter, ayrı orbitallerde ise daha düşük enerjide bulunurlar.

Hund kuralı ve Pauli ilkesi — Karbonun iki 2p elektronu ayrı orbitallere ve paralel spinle yerleşir. Ortadaki dizilim Hund kuralına, sağdaki Pauli ilkesine aykırıdır.

Orbital diyagramında her orbital bir kutuyla, her elektron bir okla gösterilir. Diyagramı çizince tek elektronlu (yarı dolu) orbital sayısı doğrudan okunur: ${}_{8}\text{O}$ için $1s^2\,2s^2\,2p^4$ dizilimindeki dört 2p elektronundan üçü üç orbitale birer yerleşir, dördüncüsü birinciyle eşleşir; iki orbital yarı doludur.

Elektron dizilimini yazma

Elektron dizilimi alt düzeylerin doldurulma sırasıyla, elektron sayıları üs olarak yazılır. Alt düzeylerin üsleri toplamı elektron sayısına eşit olmalıdır.

Atom	Elektron dizilimi	Soy gaz kısaltmasıyla	Yarı dolu orbital
${}_{7}\text{N}$	$1s^2\,2s^2\,2p^3$	$[\text{He}]\,2s^2\,2p^3$	3
${}_{11}\text{Na}$	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$	$[\text{Ne}]\,3s^1$	1
${}_{17}\text{Cl}$	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$	$[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$	1
${}_{20}\text{Ca}$	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2$	$[\text{Ar}]\,4s^2$	0
${}_{26}\text{Fe}$	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6$	$[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^6$	4
${}_{33}\text{As}$	$1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3$	$[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3$	3

Uzun dizilimleri kısaltmak için önceki soy gazın dizilimi köşeli parantezle yazılır: $[\text{Ar}] = 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6$. Kısaltmanın dışında kalan kısım, kimyasal davranışı belirleyen bölümdür.

En yüksek baş kuantum sayılı katmandaki elektronlara değerlik elektronları denir; geçiş metallerinde bunlara bir alt katmandaki $(n-1)d$ elektronları da eklenir. Klorun değerlik elektronları $3s^2\,3p^5$ (7 tane), demirinkiler $4s^2\,3d^6$ (8 tane) olarak sayılır.

Küresel simetri, krom ve bakır

Bir alt düzey yarı dolu ya da tam doluysa elektron yoğunluğu çekirdeğin çevresine her yönde eşit dağılır. Elektron dizilimi $s^1$, $s^2$, $p^3$, $p^6$, $d^5$, $d^{10}$ (ve $f^7$, $f^{14}$) ile biten atomlara küresel simetrik denir. Bu dizilimler komşularına göre daha kararlıdır: N ($2p^3$), Mg ($3s^2$), Mn ($3d^5$), Zn ($3d^{10}$) küresel simetriktir; C ($2p^2$), O ($2p^4$), Fe ($3d^6$) değildir.

Bu kararlılığın sonucu olan iki önemli istisna, 4. periyottaki krom ve bakırdır. Aufbau sırası kromda $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^4$, bakırda $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^9$ dizilimini önerir. Oysa 4s ile 3d'nin enerjileri birbirine çok yakındır ve bir elektronun 4s'den 3d'ye geçmesiyle iki alt düzeyin de yarı dolu ya da tam dolu olduğu daha kararlı bir dizilim elde edilir:

$$ {}_{24}\text{Cr}: [\text{Ar}]\,4s^1\,3d^5 \qquad {}_{29}\text{Cu}: [\text{Ar}]\,4s^1\,3d^{10} $$

Krom ve bakır istisnaları — Kromda altı, bakırda bir yarı dolu orbital vardır. İki dizilim de küresel simetriktir.

Aynı durum 5. periyotta bu iki elementin altındaki molibden ve gümüşte de görülür. 4. periyotta başka istisna yoktur; Z = 1–36 arasındaki diğer bütün elementler Aufbau sırasına uyar.

İyonların elektron dizilimi

Anyonların dizilimi kolaydır: alınan elektronlar Aufbau sırasıyla eklenir. ${}_{16}\text{S}^{2-}$ iyonunun 18 elektronu $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6$ dizilimindedir.

Katyonlarda elektronlar baş kuantum sayısı en büyük olan orbitalden, yani en dış katmandan koparılır. Baş grup elementlerinde bu zaten son doldurulan alt düzeydir. Geçiş metallerinde ise durum farklıdır: 4s, 3d'den önce dolar ama 3d dolmaya başladıktan sonra 4s elektronları çekirdekten daha uzaktaki dış elektronlar olur ve önce 4s'den koparılır:

$$ {}_{26}\text{Fe}: [\text{Ar}]\,4s^2\,3d^6 \;\rightarrow\; \text{Fe}^{2+}: [\text{Ar}]\,3d^6 \;\rightarrow\; \text{Fe}^{3+}: [\text{Ar}]\,3d^5 $$

$\text{Fe}^{3+}$ iyonunun $3d^5$ dizilimi yarı dolu ve küresel simetriktir. Benzer biçimde $\text{Cu}^{+}$ iyonu $[\text{Ar}]\,3d^{10}$, $\text{Cu}^{2+}$ iyonu $[\text{Ar}]\,3d^9$, $\text{Zn}^{2+}$ iyonu $[\text{Ar}]\,3d^{10}$ dizilimindedir. Elektron sayıları eşit olan iki taneciğin dizilimi aynıdır: 23 elektronlu $\text{Fe}^{3+}$ ile $\text{Mn}^{2+}$ iyonlarının ikisi de $[\text{Ar}]\,3d^5$ dizilimindedir.

Dizilimden periyot, grup ve blok bulma

Elementin son elektronunun girdiği alt düzey bloğunu belirler; periyot ise dizilimdeki en büyük baş kuantum sayısıdır.

Dizilimin sonu	Blok	Grup
$ns^1$, $ns^2$	s	s elektron sayısı: 1A, 2A (He hariç)
$ns^2\,np^x$	p	$(2 + x)$A: 3A–8A
$ns\,(n-1)d$	d	s + d elektron sayısı 3–7 ise 3B–7B; 8, 9, 10 ise 8B; 11 ise 1B; 12 ise 2B
$(n-2)f$	f	lantanitler (4f) ve aktinitler (5f)

Bloklar ve dolan alt düzeyler — Periyot numarası en dıştaki s ve p alt düzeylerinin $n$ değeridir. d bloğunda bir alt, f bloğunda iki alt katman dolar.

Örneğin $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^5$ ile biten element 4. periyotta, p bloğunda ve $2 + 5 = 7$ ile 7A grubundadır (brom). $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^2$ ile biten element 4. periyot, d bloğu, $2 + 2 = 4$ ile 4B grubundadır (titan). Krom $4s^1\,3d^5$ dizilimiyle $1 + 5 = 6$, 6B; bakır $4s^1\,3d^{10}$ ile $1 + 10 = 11$, 1B grubundadır. Helyum $1s^2$ dizilimiyle s bloğundadır, ama katmanı dolu olduğu için 8A grubunda gösterilir.

Bloklar elementlerin genel karakterini de özetler. s bloğu elementleri (hidrojen ve helyum dışında) değerlik elektronlarını kolayca veren metallerdir. p bloğunda metaller, yarı metaller, ametaller ve soy gazlar bir arada bulunur. d bloğundaki geçiş metallerinin hepsi metaldir; 4s ve 3d enerjileri yakın olduğu için çoğu birden fazla yükseltgenme basamağı alır ve bileşiklerinin çoğu renklidir. f bloğu lantanitler ve aktinitlerden oluşur; aktinitlerin hepsi radyoaktiftir.

Periyodik özellikleri dizilimle açıklamak

Birinci iyonlaşma enerjisi periyotta soldan sağa genel olarak artar; 9. sınıfta bu artışın iki yerde bozulduğunu gördün. Orbitallerle neden bozulduğu artık açıktır:

2A > 3A: Be ($2s^2$) ve Mg ($3s^2$) küresel simetriktir. B ve Al'de koparılan elektron, daha yüksek enerjili ve s elektronlarınca perdelenen np orbitalindedir; daha kolay kopar. $\text{Mg} = 738$, $\text{Al} = 578$ kJ/mol.
5A > 6A: N ($2p^3$) ve P ($3p^3$) yarı dolu p alt düzeyiyle küresel simetriktir. O ve S'de dördüncü p elektronu dolu bir orbitale girer ve eşiyle itişir; bu elektron daha kolay kopar. $\text{P} = 1012$, $\text{S} = 1000$ kJ/mol.

Aynı mantık 4. periyotta da işler: tam dolu $3d^{10}\,4s^2$ dizilimli çinkonun birinci iyonlaşma enerjisi (906 kJ/mol), son elektronu 4p'ye giren galyumunkinden (579 kJ/mol) büyüktür.

Ardışık iyonlaşma enerjileri bir atomun elektronlarının hangi katman ve alt düzeyde olduğunu gösterir. Değerlik elektronları bitip soy gaz dizilimindeki iç katmana inildiğinde çok büyük bir sıçrama olur; sıçramadan önceki elektron sayısı baş grup elementlerinde A grubunu verir. Daha küçük sıçramalar ise aynı katmanda alt düzey değiştiğini gösterir.

Silisyumun ardışık iyonlaşma enerjileri — En büyük sıçrama 4. ile 5. arasındadır: dört değerlik elektronu, 4A grubu. Beşinci elektron iç katmandaki 2p alt düzeyinden koparılır.

Elektron ilgisi de dizilimle açıklanır. Elektron ilgisi genel olarak periyotta soldan sağa artar, ama küresel simetrik atomlarda düşüktür: berilyum ve magnezyumun ($ns^2$) ve soy gazların kararlı tek eksi yüklü iyonu yoktur, çünkü gelen elektron yeni ve daha yüksek enerjili bir alt düzeye girmek zorundadır. Yarı dolu $2p^3$ dizilimli azotun elektron ilgisi de yok denecek kadar azdır; oysa karbon (122 kJ/mol) ve oksijen (141 kJ/mol) elektron alırken enerji açığa çıkarır. Aynı kırılma 3. periyotta da vardır: fosforun elektron ilgisi (72 kJ/mol) silisyumunkinden (134 kJ/mol) küçüktür. İkinci bir elektronun eklenmesi ise her zaman enerji ister; $\text{O}^{-}$ iyonu artık negatif yüklüdür ve gelen elektronu iter.

Elektronegatiflik bağdaki bir atomun ortak elektronları çekme yeteneğidir; tek başına bir atomun ölçülen enerjisi değil, birimsiz bir karşılaştırma sayısıdır. Elektron ilgisinden farklı olarak 2. ve 3. periyotlarda soldan sağa her adımda artar, grupta aşağı azalır; küresel simetri istisnaları burada görülmez. Pauling ölçeğinde en yüksek değer florundur (3,98), en düşük değerler 1A grubunun altındaki metallerdedir. Bileşiklerde yükseltgenme basamaklarının işaretini de elektronegatiflik belirler.

Yükseltgenme basamakları

Bir atomun bileşikteki yükseltgenme basamağı, bütün bağlar iyonikmiş gibi düşünüldüğünde, yani ortak elektronlar daha elektronegatif atoma verildiğinde atomun taşıyacağı yüktür. İyonik bileşiklerde gerçek iyon yüküne eşittir; kovalent bileşiklerde ise bir yazım kolaylığıdır. Yükseltgenme basamağı her zaman işaretiyle yazılır: $+2$, $-1$.

Hesaplamada şu kurallar sırayla kullanılır:

Element halindeki atomların yükseltgenme basamağı sıfırdır: $\text{Na}$, $\text{O}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{S}_8$.
Tek atomlu iyonda yükseltgenme basamağı iyonun yüküne eşittir: $\text{Fe}^{3+}$ için $+3$.
Bileşiklerinde flor her zaman $-1$; 1A metalleri $+1$, 2A metalleri $+2$, alüminyum $+3$'tür.
Hidrojen ametallerle bileşiklerinde $+1$, metal hidrürlerinde ($\text{NaH}$, $\text{CaH}_2$) $-1$'dir.
Oksijen bileşiklerinin çoğunda $-2$'dir; peroksitlerde ($\text{H}_2\text{O}_2$, $\text{Na}_2\text{O}_2$) $-1$, florla bileşiği $\text{OF}_2$'de $+2$'dir.
Nötr bir bileşikte yükseltgenme basamaklarının toplamı sıfır, çok atomlu bir iyonda iyonun yüküdür.

Baş grup ametallerinin alabileceği en yüksek yükseltgenme basamağı genellikle A grubu numarasına, en düşüğü grup numarasının 8 eksiğine eşittir; çünkü atom en fazla bütün değerlik elektronlarını verebilir, en fazla da soy gaz dizilimine ulaşacak kadar elektron alabilir. Flor ve oksijen en elektronegatif iki element oldukları için bu kurala uymaz.

Element	Yaygın yükseltgenme basamakları	Örnek
N (5A)	$-3$, $+1$, $+2$, $+3$, $+4$, $+5$	$\text{NH}_3$, $\text{NO}_2$, $\text{HNO}_3$
S (6A)	$-2$, $+4$, $+6$	$\text{H}_2\text{S}$, $\text{SO}_2$, $\text{H}_2\text{SO}_4$
Cl (7A)	$-1$, $+1$, $+3$, $+5$, $+7$	$\text{HCl}$, $\text{HClO}$, $\text{HClO}_4$
Fe	$+2$, $+3$	$\text{FeO}$, $\text{Fe}_2\text{O}_3$
Cu	$+1$, $+2$	$\text{Cu}_2\text{O}$, $\text{CuO}$
Mn	$+2$, $+4$, $+7$	$\text{MnCl}_2$, $\text{MnO}_2$, $\text{KMnO}_4$
Cr	$+3$, $+6$	$\text{Cr}_2\text{O}_3$, $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$
Zn; Ag	$+2$; $+1$	$\text{ZnO}$, $\text{AgNO}_3$

Geçiş metallerinin birden çok yükseltgenme basamağı alabilmesi dizilimleriyle ilgilidir: demir önce iki 4s elektronunu vererek $\text{Fe}^{2+}$, bir 3d elektronunu daha vererek küresel simetrik $\text{Fe}^{3+}$ olur. Çinkonun 3d alt düzeyi tam doludur ve yalnız iki 4s elektronunu verir; bu yüzden çinko bileşiklerinde $+2$ değerini alır.

Formüller

$$\lambda = \frac{h}{m\,v}$$

de Broglie dalga boyu: kütle ve hız büyüdükçe dalga boyu küçülür

$$n = 1, 2, 3, \ldots$$

Baş kuantum sayısı: katman ve orbital büyüklüğü

$$\ell = 0, 1, \ldots, n-1$$

s, p, d, f alt düzeyleri için 0, 1, 2, 3

$$m_\ell = -\ell, \ldots, 0, \ldots, +\ell$$

Bir alt düzeyde $2\ell + 1$ orbital

$$m_s = +\tfrac{1}{2} \text{ ya da } -\tfrac{1}{2}$$

Bir orbitalde zıt spinli en fazla 2 elektron

$$n^2 \text{ orbital}, \; 2n^2 \text{ elektron}$$

$n$. katmanın kapasitesi

$$s: 2,\; p: 6,\; d: 10,\; f: 14$$

Alt düzeylerin en fazla elektron sayısı

$$(n + \ell) \text{ küçük olan önce dolar}$$

Eşitse $n$'si küçük olan önce dolar (Aufbau)

$${}_{24}\text{Cr}: [\text{Ar}]\,4s^1\,3d^5, \; {}_{29}\text{Cu}: [\text{Ar}]\,4s^1\,3d^{10}$$

Küresel simetri istisnaları

$$s^1, s^2, p^3, p^6, d^5, d^{10}$$

Küresel simetrik dizilim sonları

$$\text{Fe}^{2+}: [\text{Ar}]\,3d^6$$

Geçiş metali katyonlarında elektron önce 4s'den kopar

$$\sum \text{yükseltgenme basamakları} = \text{yük}$$

Nötr bileşikte 0, iyonda iyon yükü

Çözümlü örnekler

Örnek 1Kuantum sayısı takımlarını denetleme

Aşağıdaki $(n, \ell, m_\ell, m_s)$ takımlarından hangileri bir elektron için olamaz? Olanların hangi alt düzeye ait olduğunu yaz. I. $(3, 1, -1, +\frac{1}{2})$ II. $(2, 2, 0, -\frac{1}{2})$ III. $(4, 3, -2, -\frac{1}{2})$ IV. $(1, 0, 1, +\frac{1}{2})$

Örnek 2Bir katmanın orbital ve elektron sayısı

$n = 4$ katmanında hangi alt düzeyler vardır? Bu katmanda kaç orbital bulunur ve en fazla kaç elektron yerleşebilir? Bu katmandaki $\ell = 2$ alt düzeyinin orbital sayısı kaçtır?

Örnek 3Dizilim ve orbital diyagramı

${}_{15}\text{P}$ ve ${}_{26}\text{Fe}$ atomlarının temel hal elektron dizilimlerini yaz ve her birinde kaç yarı dolu orbital bulunduğunu bul.

Örnek 4Krom ve bakırda istisna

${}_{24}\text{Cr}$ ve ${}_{29}\text{Cu}$ atomlarının temel hal dizilimlerini yaz. Her birinin değerlik elektron sayısını, grubunu ve yarı dolu orbital sayısını bul.

Örnek 5İyonların dizilimi

${}_{26}\text{Fe}^{2+}$, ${}_{29}\text{Cu}^{2+}$ ve ${}_{16}\text{S}^{2-}$ iyonlarının elektron dizilimlerini yaz. Hangileri küresel simetriktir?

Örnek 6Dizilimden periyot ve grup

${}_{22}\text{Ti}$, ${}_{30}\text{Zn}$ ve ${}_{34}\text{Se}$ elementlerinin periyot, blok ve gruplarını dizilimlerinden bul.

Örnek 7Son elektronun kuantum sayılarından element bulma

Temel haldeki nötr bir atomun Aufbau sırasına göre son yerleşen elektronu $n = 3$, $\ell = 2$ alt düzeyindedir ve atomda 3 yarı dolu orbital vardır. Bu koşullara uyan atomların atom numaralarını bul.

Örnek 8Ardışık iyonlaşma enerjisinden element bulma

Örnek 9Yükseltgenme basamağı hesabı

$\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ bileşiğinde krom, $\text{NH}_4^{+}$ iyonunda azot, $\text{H}_2\text{O}_2$ bileşiğinde oksijen ve $\text{CaH}_2$ bileşiğinde hidrojen atomlarının yükseltgenme basamaklarını bul.

Sık yapılan hatalar

Orbital ile yörüngeyi aynı şey sanmak. Orbital elektronun izlediği bir yol değil, bulunma olasılığının yüksek olduğu bir bölgedir.
$\ell$ değerinin $n$'ye kadar çıkabileceğini düşünmek. $\ell$ en fazla $n - 1$'dir; 1p, 2d, 3f alt düzeyleri yoktur.
Bir katmanın orbital sayısını $2n^2$ sanmak. Orbital sayısı $n^2$, elektron sayısı $2n^2$'dir.
3d'yi 4s'den önce doldurmak ya da Cr ve Cu'yu $4s^2$ ile yazmak.
Geçiş metali katyonlarında elektronu 3d'den koparmak. $\text{Fe}^{2+}$ $[\text{Ar}]\,3d^6$'dır, $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^4$ değil.
Hund kuralını unutup eş enerjili orbitallerde elektronları hemen eşleştirmek; yarı dolu orbital sayısını yanlış saymak.
Periyodu son yazılan alt düzeyden bulmak. Fe'de son yazılan 3d'dir, ama Fe 4. periyottadır.
Peroksitlerde oksijeni $-2$, metal hidrürlerinde hidrojeni $+1$ almak.

Günlük hayatta

Havai fişeklerin renkleri, alevde uyarılan atom ve moleküllerin elektronları daha düşük enerjili orbitallere dönerken yaydığı ışıktan gelir: stronsiyum bileşikleri kırmızı, baryum bileşikleri yeşil, bakır bileşikleri mavi renk verir. Geçiş metali bileşiklerinin renkleri de d elektronlarıyla ilgilidir; bakır sülfat pentahidratın mavisi, $3d^9$ dizilimli $\text{Cu}^{2+}$ iyonunun d elektronlarının görünür ışığın kırmızı-turuncu bölümünü soğurmasından kaynaklanır. Elektronun dalga özelliği ise laboratuvarda doğrudan kullanılır: elektron mikroskopları, görünür ışığınkinden çok daha kısa olan elektron dalga boyu sayesinde virüsleri ve hatta atom dizilerini görüntüleyebilir.

Konu testi

28 soru. Bir seçeneğe dokun; doğru cevap ve çözüm hemen açılır.

1Kolay

$n = 3$ olan katmanda en fazla kaç orbital bulunur?

2Kolay

Aşağıdaki $(n, \ell, m_\ell, m_s)$ kuantum sayısı takımlarından hangisi bir elektron için olamaz?

3Kolay

Aşağıdakilerden hangisi Bohr atom modelinin açıklayamadığı gözlemlerden biridir?

4Kolay

Pauli dışlama ilkesi aşağıdakilerden hangisidir?

5Kolay

${}_{26}\text{Fe}$ atomunun temel hal elektron dizilimi aşağıdakilerden hangisidir?

6Kolay

${}_{24}\text{Cr}$ atomunun temel hal elektron dizilimi aşağıdakilerden hangisidir?

7Orta

Kuantum sayılarıyla ilgili

I.$n = 2$ katmanında $\ell = 2$ olan bir alt düzey bulunur.
II.$\ell = 1$ olan bir alt düzeyde $m_\ell$ değerleri $-1$, $0$ ve $+1$'dir.
III.$n = 4$ katmanında en fazla 32 elektron bulunabilir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

8Orta

Temel haldeki ${}_{17}\text{Cl}$ atomunda açısal momentum kuantum sayısı $\ell = 1$ olan kaç elektron vardır?

9Orta

Temel haldeki ${}_{26}\text{Fe}$ atomunda kaç tane yarı dolu orbital bulunur?

10Orta

${}_{26}\text{Fe}^{3+}$ iyonunun elektron dizilimi aşağıdakilerden hangisidir?

11Orta

Temel hal elektron dizilimi $4p^3$ ile biten elementin periyodik sistemdeki yeri aşağıdakilerden hangisidir?

12Orta

Çok elektronlu bir atomda Aufbau sırasına göre 4d alt düzeyinden hemen önce doldurulan alt düzey aşağıdakilerden hangisidir?

13Orta

Aşağıdaki atomlardan hangisinin temel hal elektron dizilimi küresel simetrik değildir?

14Orta

$\text{KMnO}_4$ bileşiğinde manganın yükseltgenme basamağı kaçtır?

15Orta

Aşağıdaki türlerin hangisinde azotun yükseltgenme basamağı en büyüktür?

16Orta

periyotta bulunan bir X elementinin ilk altı iyonlaşma enerjisi aşağıdaki grafikte verilmiştir.

X elementinin ardışık iyonlaşma enerjileri — Değerler kJ/mol cinsindendir.

Buna göre X'in atom numarası kaçtır?

17Orta

Yükseltgenme basamaklarıyla ilgili

I.$\text{H}_2\text{O}_2$ bileşiğinde oksijenin yükseltgenme basamağı $-1$'dir.
II.$\text{CaH}_2$ bileşiğinde hidrojenin yükseltgenme basamağı $-1$'dir.
III.$\text{OF}_2$ bileşiğinde florun yükseltgenme basamağı $+1$'dir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

18Orta

${}_{6}\text{C}$, ${}_{7}\text{N}$ ve ${}_{8}\text{O}$ atomlarının elektron ilgileri (bir elektron alırken açığa çıkan enerji) arasındaki ilişki aşağıdakilerden hangisidir?

19Zor

Birinci iyonlaşma enerjileriyle ilgili

I.${}_{12}\text{Mg}$'nin birinci iyonlaşma enerjisinin ${}_{13}\text{Al}$'ninkinden büyük olması, Al'de koparılan elektronun daha yüksek enerjili 3p orbitalinde bulunmasıyla açıklanır.
II.${}_{16}\text{S}$'nin çekirdek yükü daha büyük olduğu için birinci iyonlaşma enerjisi ${}_{15}\text{P}$'ninkinden büyüktür.
III.${}_{10}\text{Ne}$'nin birinci iyonlaşma enerjisinin ${}_{11}\text{Na}$'nınkinden çok büyük olması, Na'nın koparılan elektronunun yeni bir katmanda (3s) bulunmasıyla açıklanır.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

20Zor

Temel hal elektron dizilimleri olarak çizilmiş dört orbital diyagramı aşağıda verilmiştir.

X, Y, Z ve T orbital diyagramları — Her kutu bir orbitali, her ok bir elektronu gösterir.

Buna göre

I.X'teki dizilim Hund kuralına aykırıdır.
II.Y'deki dizilim Pauli ilkesine aykırıdır.
III.T'deki dizilim Aufbau ilkesine aykırıdır.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

21Zor

Temel haldeki nötr bir atomun Aufbau sırasına göre son yerleşen elektronu $n = 4$, $\ell = 1$ alt düzeyindedir ve atomda 3 yarı dolu orbital vardır. Bu atomun atom numarası kaçtır?

22Zor

$\text{X}^{2+}$ iyonunun elektron dizilimi $[\text{Ar}]\,3d^9$'dur. Buna göre X elementiyle ilgili

I.4. periyot 1B grubundadır.
II.Temel haldeki nötr atomunda 2 yarı dolu orbital vardır.
III.$\text{X}^{+}$ iyonunun elektron dizilimi küresel simetriktir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

23Zor

periyotta bulunan X, Y ve Z elementlerinin ilk beş iyonlaşma enerjisi kJ/mol cinsinden aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Element	$\text{İE}_1$	$\text{İE}_2$	$\text{İE}_3$	$\text{İE}_4$	$\text{İE}_5$
X	578	1817	2745	11 577	14 842
Y	787	1577	3232	4356	16 091
Z	738	1451	7733	10 543	13 630

Buna göre

I.X 3A grubundadır.
II.Y'nin atom numarası Z'ninkinden küçüktür.
III.Z'nin temel hal elektron dizilimi küresel simetriktir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

24Zor

${}_{26}\text{Fe}^{3+}$ ve ${}_{25}\text{Mn}^{2+}$ iyonlarıyla ilgili

I.Proton sayıları eşittir.
II.Elektron dizilimleri aynıdır.
III.İkisinin de elektron dizilimi küresel simetriktir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

25Zor

Temel haldeki ${}_{20}\text{Ca}$ atomunda manyetik kuantum sayısı $m_\ell = 0$ olan kaç elektron vardır?

26Zor

Atom numarası 1 ile 36 arasında olan elementlerden, temel halde 4s orbitalinde yalnızca bir elektron bulunanların atom numaraları toplamı kaçtır?

27Zor

Temel hal elektron dizilimi $[\text{Ar}]\,4s^2\,3d^5$ olan bir element için

I.4. periyot 7B grubundadır.
II.Temel halde 4 yarı dolu orbitali vardır.
III.Elektron dizilimi küresel simetriktir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

28Zor

periyotta bulunan bir X elementinin $\text{HXO}_4$ bileşiğindeki yükseltgenme basamağı, X'in alabileceği en yüksek yükseltgenme basamağıdır. Buna göre

I.X 7A grubundadır.
II.X'in temel hal elektron dizilimi $3p^5$ ile biter.
III.$\text{X}_2\text{O}$ bileşiğinde X'in yükseltgenme basamağı $+2$'dir.

ifadelerinden hangileri doğrudur?

İlerlemen bu tarayıcıda saklanıyor. Ücretsiz üye ol, her cihazda kaldığın yerden devam et.

Atom	Elektron dizilimi	Soy gaz kısaltmasıyla	Yarı dolu orbital
\({}_{7}\text{N}\)	\(1s^2\,2s^2\,2p^3\)	\([\text{He}]\,2s^2\,2p^3\)	3
\({}_{11}\text{Na}\)	\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1\)	\([\text{Ne}]\,3s^1\)	1
\({}_{17}\text{Cl}\)	\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5\)	\([\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5\)	1
\({}_{20}\text{Ca}\)	\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\)	\([\text{Ar}]\,4s^2\)	0
\({}_{26}\text{Fe}\)	\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6\)	\([\text{Ar}]\,4s^2\,3d^6\)	4
\({}_{33}\text{As}\)	\(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3\)	\([\text{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3\)	3

Element	Yaygın yükseltgenme basamakları	Örnek
N (5A)	\(-3\), \(+1\), \(+2\), \(+3\), \(+4\), \(+5\)	\(\text{NH}_3\), \(\text{NO}_2\), \(\text{HNO}_3\)
S (6A)	\(-2\), \(+4\), \(+6\)	\(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{SO}_2\), \(\text{H}_2\text{SO}_4\)
Cl (7A)	\(-1\), \(+1\), \(+3\), \(+5\), \(+7\)	\(\text{HCl}\), \(\text{HClO}\), \(\text{HClO}_4\)
Fe	\(+2\), \(+3\)	\(\text{FeO}\), \(\text{Fe}_2\text{O}_3\)
Cu	\(+1\), \(+2\)	\(\text{Cu}_2\text{O}\), \(\text{CuO}\)
Mn	\(+2\), \(+4\), \(+7\)	\(\text{MnCl}_2\), \(\text{MnO}_2\), \(\text{KMnO}_4\)
Cr	\(+3\), \(+6\)	\(\text{Cr}_2\text{O}_3\), \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\)
Zn; Ag	\(+2\); \(+1\)	\(\text{ZnO}\), \(\text{AgNO}_3\)

Dizilimin sonu	Blok	Grup
\(ns^1\), \(ns^2\)	s	s elektron sayısı: 1A, 2A (He hariç)
\(ns^2\,np^x\)	p	\((2 + x)\)A: 3A–8A
\(ns\,(n-1)d\)	d	s + d elektron sayısı 3–7 ise 3B–7B; 8, 9, 10 ise 8B; 11 ise 1B; 12 ise 2B
\((n-2)f\)	f	lantanitler (4f) ve aktinitler (5f)