1s2 2s2 2p6 3s2 3p6... Elektronlar Atomun Etrafında Nerede Bulunuyor? Elektron Konfigürasyonları Ne Anlama Geliyor?
Lise Kimya Derslerinde Ezberleyip Geçtiğiniz Elektron Konfigürasyonlarının Ne Anlama Geldiğini ve Neden Önemli Olduğunu Öğrenin!
Özgün Nedir?
Bu yazı, Evrim Ağacı'na ait, özgün bir içeriktir. Konu akışı, anlatım ve detaylar, Evrim Ağacı yazarı/yazarları tarafından hazırlanmış ve/veya derlenmiştir. Bu içerik için kullanılan kaynaklar, yazının sonunda gösterilmiştir. Bu içerik, diğer tüm içeriklerimiz gibi, İçerik Kullanım İzinleri'ne tabidir.
Atomun yapısına ve doğasına yönelik bilgilerimiz, daha önceden detaylıca anlattığımız gibi, son birkaç asırda köklü bir şekilde değişti. Bunlardan Bohr Atom Modeli, her ne kadar en günceli olmasa da, günümüzde en aşina olunan ve okullarda öğretilmeye devam edilen modellerden birisi; biz de Evrim Ağacı olarak daha önceden Bohr atom modelinin fiziği ile ilgili çok kapsamlı bir analiz yazısı yayınlamıştık.
Ancak lisede kimya dersi görmüş olanların yakından bileceği bir tekerleme vardır: "si si pisi pisi de pisi de pisi..." şeklinde devam eder. Tabii "es es pi es pi es dö pi es" gibi tekerlemeler de görmek mümkündür. Veya "Seda Sayan, paraları saydı, paraları saydı, durmadan paraları saydı, durmadan paraları saydı, Fatma da paraları saydı, Fatma da paraları saydı" gibi versiyonları da vardır. Tabii parayı sayanların ismi değişebilir: "Sakıp Sabancı para sayar, para sayar, daima para sayar, fani dünyada para sayar." gibi... Tüm bunlar, atomların etrafında dönen elektronların işgal edebilecekleri orbitalleri, yani yörüngeleri ve her bir orbitalin yer aldığı alt kabukların ve kabukların taşıyabileceği maksimum elektron sayılarını ve bunların sıralarını ezberlemekte kullanılan tekerlemelerdir. Gelin bu yazıda, dümdüz ezberlemeye çalışmaktan ziyade, anlamaya çalışalım.
Atom Çekirdeği ve Elektronlar
Atom çekirdeği, doğadaki 4 temel kuvvetten en güçlüsü olan güçlü nükleer kuvvet ile bir arada tutulan proton ve nötronlardan oluşan bir yapıdır. Bu yapının doğasına dair birçok teori geliştirilmiştir; ancak bu yazıda atom çekirdeğine değil, onun etrafında dolanan elektronlara odaklanacağız. Yine de, merak edenler için, atom çekirdeğinin yapısını ve dinamiğini belirleyen şeyin ne olduğuna bağlı olarak geliştirilmiş farklı teorilerden bir tanesinin detayları, aşağıdaki görselde özetleniyor.
Elektron Nedir?
Elektronlar, atom çekirdeği etrafında dönen negatif yüklü atom altı parçacıklardır.[2] Lepton adını verdiğimiz parçacık ailesine ait olan elektronların daha alt hiçbir birimi bulunmadığı düşünülmektedir.[3] Bir elektronun kütlesi, bir protonun kütlesinden yaklaşık 1836 kat küçüktür.[4]
Elektronlar, bir fermiyon oldukları için, iki ayrı elektron birebir aynı kuantum durumunu işgal edememektedir (buna Pauli'nin Dışlama İlkesi diyoruz).[1] Biraz açacak olursak: Bir elektronun kuantum durumunu 4 kuantum numarası ile belirleyebiliriz: temel kuantum numarası olarak bilinen nn sayısı, azimutal kuantum numarası olarak bilinen ll sayısı, manyetik kuantum numarası olarak bilinen mlm_l sayısı ve spin kuantum numarası olarak bilinen msm_s sayısı.[5]
Bunların ne anlama geldiğini yazının ilerleyen kısımlarında çok iyi bir şekilde öğreneceksiniz; ancak o kısma gelene kadar aklınızda bulundurmanızı tavsiye ettiğimiz, bir atomun etrafındaki 2 farklı elektron için bu 4 sayının hepsinin eşit olamayacağıdır. İki elektronun 3 kuantum numarası eşitse (örneğin nn, ll ve mlm_l sayıları eşitse), 4. kuantum numarası (yani msm_s sayısı) farklı olmak zorundadır. Bu bilgi, elektronların atom etrafında bulundukları yeri tespit etmemizde büyük bir rol oynamaktadır. Bunu, bir evin adresi gibi düşünebilirsiniz: 2 ayrı evin adresi birebir aynı olamaz; mutlaka belirli adres belirleyicileri (il, ilçe, site adı, blok adı, kat numarası, kapı numarası, vs.) farklı olacaktır; o fark ufacık olsa bile... Aynı şey, elektronlar için de geçerlidir; buna döneceğiz.
Elektronlar da, diğer tüm temel parçacıklar gibi hem dalga hem de parçacık gibi davranırlar. Yani hem bir "bilardo topu" gibi birbirlerine çarpabilirler, hem de su yüzeyinde yayılan dalgalar gibi birbirleriyle girişim yapabilirler (mesela tepe noktalarının denk geldiği yerlerde daha güçlü dalgalar oluşturabilirler). Elektronların kütlesi, atomu oluşturan diğer parçacıklara göre (örneğin proton ve nötronlara göre) daha küçük olduğu için, elektronlara eşlik eden de Broglie dalgaboyu herhangi bir enerji seviyesi için daha büyük olmaktadır; bu nedenle bir elektronun dalga özelliklerini deneysel olarak gözlemek, proton veya nötrona göre daha kolaydır.
Elektronların dalga-benzeri özellikleri arasında şunlar vardır:
Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, Evrim Ağacı'nda çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.Kreosus
Kreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.
Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.Patreon
Patreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.
Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.YouTube
YouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.
Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.Diğer Platformlar
Bu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.Giriş yapmayı unutmayın!
Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.
- Elektronlar, atom çekirdeğinin etrafında dolanan bir uydu gibi yörüngelere sahip değillerdir. Daha ziyade duran dalga şeklindedirler. Duran dalgalar, zamana göre salınım yapmasına rağmen belli bir bölgede sabit duran dalgalardır. Dolayısıyla bir elektronun alabileceği en düşük enerji seviyesi, o dalganın bir tel üzerindeki temel frekansına benzerdir. Daha yüksek enerji seviyeleri, o temel frekansın harmonilerine benzer.
- Elektronlar hiçbir zaman tekil bir noktada yer almazlar. Buna rağmen, bir elektronun tek bir nokta ile etkileşime geçme ihtimali, o elektronun dalga fonksiyonu ile belirlenebilir. Elektronun yükü, sanki uzaya sürülerek yayılmış gibi bir süreğen dağılım gösterir. Dolayısıyla herhangi bir noktadaki değeri, o elektronun dalga fonksiyonun o noktadaki değerinin karesine eşittir.
Elektronların parçacık-benzeri özellikleri arasında şunlar vardır:
- Atom etrafında dönen elektronların sayısı bir tam sayı olmak zorundadır.
- Elektronlar, tıpkı parçacıklar gibi orbitaller arasında sıçrama yapabilirler. Örneğin bir foton, bir elektrona çarpacak olursa, o fotona sadece 1 adet elektron sıçrama yaparak cevap verir.
- Dalga-benzeri özellikler sergileyen elektronlar, parçacık-benzeri özelliklerini korurlar. Örneğin her bir dalga durumunun elektrik yükü, o elektronun parçacık yüküyle eşittir. Her bir dalga durumunun bariz bir spini vardır (yukarı veya aşağı yönlü).
Elektronlar, Atomun Etrafında Nerelerde Bulunurlar?
Günümüzde terk edilmiş atom modellerinde elektronlar, atomun çevresinde belirli yörüngelerde dönen parçacıklar olarak hayal edilmişlerdir. Tıpkı Ay'ın Dünya'nın etrafında dönmesi gibi, elektronların da atomun etrafında çok net bir şekilde hesaplanabilir yörüngelerde bulunduğu düşünülmüştür. Ancak Heisenberg'in Belirsizlik İlkesi'nin keşfedilmesiyle, elektronların hızının ve konumunun aynı anda tespit edilmesinin mümkün olmadığı anlaşılmıştır.
Bu nedenle yeni atom modellerinde, sabit yörünge fikri terk edilmiş, bunun yerine bir elektronun atom çevresinde bulunmasını beklediğimiz yerlere ait bir olasılık dağılımı kullanılmaya başlanmıştır. Elbette, birçok atom için bir elektronun bulunabileceği yerlere ait olasılık dağılımının büyük bir kısmı (yaklaşık %90'ı), tek bir yörüngeye işaret etmektedir. Dolayısıyla eski modeller, elektronların konumunu hesaplarken çok da büyük bir hata yapmıştır denemez. Nihayetinde o modellerde hesaplanan elektron lokasyonları, modern modellerde elektronların en sık bulunmasını beklediğimiz yerlere denk gelmektedir. Bir nevi, beklentilerimizin ortalamasıdır.
Ancak bir elektron, hassas ve tekil bir yörüngede bulunmak zorunda değildir; dolayısıyla eski modellerle bir elektronu bulmayı beklediğiniz yere baktığınızda, en azından belli bir olasılık dahilinde, elektronu orada bulamayabilirsiniz. Bu olasılıkçı yaklaşım, Ay ve Dünya gibi yörünge davranışı sergileyen büyük nesnelerden beklemediğimiz bir durumdur; Ay'ın yörüngesini mutlak bir isabetle tahmin edebiliriz ve her baktığımızda orada olmasını bekleriz. Olmaması halinde, bir şeyler bir yerde çok ters gitmiş demektir!
Bunu, Dünya etrafındaki Ay'dan ziyade, Dünya etrafındaki atmosfere benzetebilirsiniz. Atmosfer, Ay gibi tekil bir yere sahip değildir; gezegenin etrafına yayılmış haldedir. Çekirdekten uzaklaştıkça, elektron bulma ihtimaliniz azalır; aynı şekilde, gezegenden uzaklaştıkça atmosfer bulma ihtimaliniz de azalacaktır. Bu nedenle elektronların atom etrafındaki şekline kimi zaman elektron bulutu adı verilir.[6]
Elektronların, bir atom çevresindeki konumunu ve dalga-benzeri davranışını tanımlayan matematiksel fonksiyonun çizdiği grafiklere atomik orbital (atom yörüngesi) adı verilir. Bu fonksiyonu kullanarak, herhangi bir elektronun bir atomun etrafındaki belirli bir bölgede bulunma ihtimalini hesaplamanız mümkündür. Bunu hidrojen atomu için yapacak ve grafikleştirecek olursak, karşımıza şu şekilde bir tablo çıkar:
Elektronların Atom Etrafındaki Konumları
Ancak her atomu bu şekilde ifade etmek zordur; bu nedenle bazı basitleştirmeler yaparak, daha kolay bir anlatıma erişmeyi hedefleriz. Gelin, bunu yapalım:
Kabuk Nedir?
Atomun etrafında elektronların bulunduğu bölgelere kabuk (İng: "shell") adını veriyoruz. Bunları atom çekirdeğine en yakından en uzağa doğru 1. kabuk, 2. kabuk, 3. kabuk diye isimlendirmek mümkündür; ancak daha resmi isimleri sırasıyla K, L, M, N, O... şeklinde harflerle isimlendirmektir. En içteki kabuğa K diyoruz; bir sonrakine L, sonrakine M ve bu böyle devam ediyor.
Görebileceğiniz gibi, bu gösterimde de kabuklar sanki Ay'ın Dünya etrafındaki yörüngesi gibi bir çizgiyle gösterilmiş. Bu, sadece bir basitleştirmedir. Aslında her bir çizgi, o çizgi etrafındaki olasılık dağılımının merkezi (veya en yüksek ihtimali barındıran bölgeyi) temsil etmektedir. Ki bu anlatım bile, fazlasıyla bir basitleştirmedir; çünkü yörüngeler, atom etrafında bu şekilde düzgün dağılmış değildir. Bir üstteki görselden hatırlayabileceğiniz gibi, her bir yörüngenin oldukça ilginç simetrilere ve geometrilere sahip şekilleri vardır. Ama bu basitleştirme, iletişim ve anlatım kolaylığı sağlamaktadır.
Alt Kabuk Nedir?
Bu basitleştirilmiş anlatımdaki kabukların her birinin altında daha alt birimler yer alır. Bunlara alt kabuk (İng: subshell) adı verilmektedir. Alt kabuklar, keşfedildiklerinde verilen tarihi isimlere göre şöyle anılırlar:
- ss alt kabuğu, en fazla 2 adet elektron barındırabilen bir alt kabuktur. İsmi, "keskin" (İng: "sharp") sözcüğünden gelmektedir.
- pp alt kabuğu, en fazla 6 adet elektron barındırabilen bir alt kabuktur. İsmi, "ilke, prensip, temel" (İng: "principle") sözcüğünden gelmektedir.
- dd alt kabuğu, en fazla 10 adet elektron barındırabilen bir alt kabuktur. İsmi, "nüfuz etmiş" (İng: "diffuse") sözcüğünden gelmektedir.
- ff alt kabuğu, en fazla 14 adet elektron barındırabilen bir alt kabuktur. İsmi, "temel (İng: "fundamental") sözcüğünden gelmektedir.
- gg alt kabuğu, en fazla 18 adet elektron barındırabilen bir alt kabuktur. İsmi, herhangi bir sözcükten gelmemektedir; sadece alfabeyi takip etmektedir.
- Bundan daha fazlası da mümkündür; ancak bu kadarı yeterli olacaktır. Hatta ilk 3-4 alt kabuktan daha fazlası, çok büyük atom numaralarına sahip elementler haricinde, genellikle karşımıza çıkmaz. Bu nedenle f alt kabuğuna kadar bilmeniz yeterli olacaktır. Ancak devam ettirmek isterseniz, i ve j harflerini atlayarak alfabeyi takip edebilirsiniz. i ve j harfleri, bazı dillerde ayırt edilmediği için atlanmaktadır.
Bu alt kabukların taşıyabildikleri maksimum elektron sayısı, bu alt kabuklara denk gelen enerji seviyeleri ile belirlenir. Daha dış kabukların enerjisi daha yüksektir ve bu sayede daha fazla elektron barındırabilirler. Kabuklar ve alt kabukları bir arada gösteren, basitleştirilmiş bir çizimi aşağıdan inceleyebilirsiniz.
Görebileceğiniz gibi her kabuğun farklı sayıda alt kabukları bulunmaktadır. Yani her alt kabuk, her kabukta bulunmayabilir. Bunun sebeni, bazı alt kabukların enerji seviyesinin, bazı kabukların enerji seviyesinden daha yüksek olmasıdır. Yani bir kabuk altında bir alt kabuk bulunabilmesi için, o alt kabuğun enerjisinin, kabuğun kendi enerjisinden düşük olması gerekmektedir. Buna göre, her bir kabukta bulunan alt kabukları şöyle sıralayabiliriz:
- 1. kabukta (K kabuğunda) sadece 1 adet s alt kabuğu bulunur.
- 2. kabukta (L kabuğunda) birer adet s ve p alt kabukları bulunur.
- 3. kabukta (M kabuğunda) birer adet s, p ve d alt kabukları bulunur.
- 4. kabukta (N kabuğunda) birer adet s, p, d ve f alt kabukları bulunur.
- 5. kabukta (O kabuğunda) birer adet s, p, d, f ve g alt kabukları bulunur.
Orbital Nedir?
Son olarak, orbital kavramından da söz ederek, genel çerçeveyi tamamlayabiliriz. Orbitaller, elektronların bulundukları yerlere karşılık gelen en spesifik bölgedirler. Her bir alt kabukta çeşitli sayılarda orbital bulunur. Aslında bir alt kabuğun orbital sayısı ile maksimum elektron taşıma kapasitesi birebir ilişkilidir: Maksimum elektron taşıma kapasitesi, orbital sayısının her zaman 2 katıdır; çünkü bir orbital, en fazla 2 elektron barındırabilen bir ünitedir. Bunun nedenine az sonra geleceğiz. Ancak bu bilgiler ışığında, şöyle bir liste çıkarabiliriz:
- s alt kabuğunda 1 adet orbital vardır ve bu nedenle en fazla 2 elektron taşıyabilir.
- p alt kabuğunda 3 adet orbital vardır ve bu nedenle en fazla 6 elektron taşıyabilir.
- d alt kabuğunda 5 adet orbital vardır ve bu nedenle en fazla 10 elektron taşıyabilir.
- f alt kabuğunda 7 adet orbital vardır ve bu nedenle en fazla 14 elektron taşıyabilir.
- g alt kabuğunda 9 adet orbital vardır ve bu nedenle en fazla 18 elektron taşıyabilir.
Şimdi bunun nedenine bir bakış atalım:
Yaklaşık 100 milyon yıl önce, üç büyük kıtanın –Asya, Kuzey Amerika ve Afrika– hareketleri sonucu büyük, tropik bir takımada meydana geldi. Bu takımada, daha sonra Avrupa’yı oluşturacaktı. O dönemden beri Avrupa durmak bilmeyen değişimlere sahne oldu ve farklı kökenlerden sayısız türe ev sahipliği yaptı.
Milyonlarca yıl boyunca çok sayıda bitki ve hayvan türü Avrupa’ya göç etti ve burada kıtanın kendisiyle eşzamanlı olarak evrimleşti. İlk mercan resifleri Avrupa’da oluştu; yünlü gergedanlar, mamutlar ve Yeryüzü’nün gelmiş geçmiş en iri filleri Avrupa’da yaşadı; insan türünün geçirdiği önemli gelişmelerin çoğu Avrupa’da meydana geldi.
Tim Flannery, çığır açan bu eserinde Avrupa’nın kökenine gidiyor ve kıtanın, Yeryüzü’nün geri kalanı için neden büyük önem taşıdığını araştırıyor. Doğa bilimlerinde kaydedilen ilerlemeler ışığında, Avrupa’nın hem geçmişte hem de günümüzde nasıl küresel değişimin başını çektiğini açıklarken; yaklaşık kırk bin yıl önce Avrupa’ya geldiğinden beri insanlığın da kıtanın hem faunasında hem de florasında nasıl büyük bir etkiye sahip olduğunu gözler önüne seriyor. Doğa tarihiyle kültür tarihini harmanlayan Köken’de nereden geldiğimizin ve kim olduğumuzun hikâyesini keyifle okuyacaksınız.
Bilgiler ve Uyarılar:
- Bu ürün sipariş alındıktan 1-3 gün içinde postalanacaktır.
- Lütfen sipariş vermeden önce iade ve ürün değişikliği ile ilgili bilgilendirmemizi okuyunuz.
- Bu kampanya, Panama Yayıncılık tarafından Evrim Ağacı okurlarına sunulan fırsatlardan birisidir.
Pauli'nin Dışlama İlkesi: Kuantum Numaraları ve Ev Adresleri...
Neden Bir Orbitalde Sadece 2 Elektron Bulunabilir?
Bir orbitalde en fazla 2 elektron bulunabilmesinin nedeni, yazımızın başında sözünü ettiğimiz Pauli'nin dışlama ilkesidir. Hatırlayacak olursanız, bir elektronun bulunduğu orbitalleri 4 farklı kuantum numarası ile tanımladığımızı söylemiştik (bunlar sırasıyla nn, ll, mlm_l ve msm_s ile ifade edilir).
Bunu, bir evin adresini oluşturan 4 numara gibi düşünebilirsiniz. Hiçbir zaman iki ayrı evin adresi birebir aynı olmayacaktır. İlla ki kapı numarası, şehir, mahalle, vb. bir bilgide farklılık olması gerekir. İşte elektronlar için de durum budur.
Diyelim bir elektronun adresi:
- n=1n=1
- l=1l=1
- ml=−1m_l=-1
- ms=+1/2m_s=+1/2
olsun. Bunlardan ilki, kabuk sayısına karşılık geliyor. Yani bu elektron, 1. kabukta yer alıyor. İkincisi, alt kabuğa karşılık geliyor: s için 1, p için 2, d için 3, f için 4 sayısını kullanıyoruz. Bu sayılar arttıkça, harf karşılıkları da sırayla artıyor; yukarıda anlatmıştık.
Dolayısıyla yukarıdaki adreste, 1. kabuğun s alt kabuğundan söz ediyoruz.
mlm_l, yani manyetik kuantum numarası, her bir alt kabuktaki orbitallere karşılık geliyor. Bir alt kabuktaki orbitallerin, her zaman alt kabuk numarasının 2 katı olduğunu yukarıda söylemiştik. Neden? Çünkü bir elektronun atom etrafında oluşturduğu bulut, yani spesifik orbital, belirli bir eksen üzerinde o elektronun açısal momentumuna karşılık geliyor. Bu momentumu L=ml∗ℏL=m_l*\hbar ile hesaplıyoruz. Burada ℏ\hbar, Planck sabitidir. Bu momentum hesabından ötürü, her bir orbital, −l-l ile +l+l sayısı arasında değişen tam sayı değerleri alabiliyor.[9] Bu da, ll sayısının 2 katı bir aralığa karşılık geliyor. Bu nedenle her bir alt kabuğun 2 katı kadar orbital vardır diyoruz.
Son olarak, spin kuantum sayısı, yani msm_s, elektronun içsel açısal momentumuna karşılık geliyor. Bu da, bir elektronun belli bir eksen etrafındaki spin açısal momentumunu hesaplamakta kullanılıyor (S=ms∗ℏS=m_s*\hbar). Tıpkı mlm_l gibi, msm_s de −s-s ile +s+s arasında değerler alabiliyor; ancak burada bir detay var: Eğer bir elektronun spini s=1/2s=1/2 ise, o elektronun msm_s değeri ±1/2\pm1/2 olmaktadır ve bunlardan +1/2+1/2 yukarı spin, −1/2-1/2 aşağı spin değerine karşılık gelmektedir.[10] Bunlardan başka herhangi bir seçenek yoktur. İşte bu nedenle, her bir orbital içerisinde mutlaka en fazla 2 elektron bulunabilir. Yoksa aynı adreste 2 ev olurdu!
İşte bu nedenle, aynı alt kabukta bulunan diğer elektronun adresini net bir şekilde bulabiliriz:
- n=1n=1
- l=1l=1
- ml=−1m_l=-1
- ms=−1/2m_s=-1/2
Yukarıdaki elektronun aksine, bu elektronun msm_s değerinin eksi olduğuna dikkat edin! Çünkü başka bir değer alamaz; diğer değer (+1/2+1/2) az önceki elektronumuzca işgal edilmiştir. Pauli'nin dışlama ilkesi tam olarak bunu söyler!
Artık bu "ev adresi" analojisini kullanarak, bir atom etrafındaki bütün elektronun bütün konumlarını tanımlayabilirsiniz. Bir örnek:
- n=2n=2
- l=0l=0
- ml=0m_l=0
- ms=+1/2m_s=+1/2
Sizce bu elektron, aşağıdaki elektronla bir arada bulunabilir mi?
- n=1n=1
- l=0l=0
- ml=0m_l=0
- ms=+1/2m_s=+1/2
Evet! Çünkü bu elektron farklı kabuklarda yer alır: biri 1. kabukta, diğeri 2. kabukta (nn sayılarına dikkat edin!). Diğer tüm değerleri aynı olsa da, bu farklılık, iki elektronun apayrı iki elektron adresi olmasını sağlamaktadır. Bu, Pauli'nin dışlama ilkesi ile uyumludur. Bu 4 sayıdan en az 1 tanesi farklı olduğu sürece, farklı elektronlardan söz ediyorsunuz demektir.
Kısaca özetleyecek olursak: Sözünü ettiğimiz 4 kuantum numarasından, diğer üçünün aynı olduğu bir durumda sadece ve sadece spin kuantum numarası farklılık göstermektedir (ve göstermek zorundadır!). Bu sayı da, en fazla iki değer alabilir: +1/2 ve -1/2. Bu iki olasılıktan ötürü, bir orbitalde en fazla 2 elektron yer alabilir.[7] Elbette bir orbitalde hiç elektron bulunmayabilir veya sadece 1 adet elektron da bulunabilir; ancak 2'den fazla elektron bulunamaz.
Yani şimdi, az önce öğrendiğimiz ve her bir alt kabuğun maksimum elektron sayısını gösteren listemizin nedenini de öğrenmiş oluyoruz: Pauli'nin dışlama ilkesi, her bir alt kabuğun maksimum elektron sayısını dikte etmektedir. Bu orbitalleri, şu şekilde gösterebiliriz:
Her Kabuktaki Elektron Sayısını Gösteren Basit Bir Formül
Bu durum, bizi liseden hatırlıyor olabileceğiniz "sihirli" bir formüle de ulaştırıyor. Eğer bir kabuğun taşıyabileceği elektron sayısını hesaplamak isterseniz, aşağıdaki formülü kullanabilirsiniz:
2n2\LARGE{2n^2}
Neden? Çünkü her biri nn ile ifade edilen kabukların her birinde, o kabuktakinin karesi kadar alt kabuk var (n2n^2). Ve her bir alt kabuk, en fazla 2 adet elektron taşıyabilen orbitallere karşılık geliyor, dolayısıyla: 2n22n^2. Örneğin 3. kabuktaki (n=3n=3) maksimum elektron sayısını merak ediyorsanız, 2(32)2(3^2) hesabından 18 adet elektron taşıyabileceğini bulabilirsiniz. Ama görebileceğiniz gibi, bir formülü ezberleyip geçmektense, o formülün tam olarak nereden geldiğini anlamak çok daha öğretici bir deneyim. Her şeyi tek bir tabloda özetleyecek olursak:
Bunların görsel bir karşılığını burada görebilirsiniz:
Yukarıdaki grafikte, bir neon atomunun 2 farklı kabuğunu görüyorsunuz. Bu kabukların şekilleri, doğrudan doğruya dalga fonksiyonunun çözümlerinden kaynaklanıyor ve elektronların bulunabilecekleri yerlere karşılık geliyor. Bu diyagramlar, bir elektronun bulunabileceği her yeri göstermiyorlar; çünkü en nihayetinde kuantum mekaniğine göre bir elektron teknik olarak uzayın herhangi bir yerinde sıfırdan büyük bir olasılıkla bulunabilir. Ancak bu diyagramlar, daha önce de söz ettiğimiz gibi, kabuğun %90 gibi büyük bir kısmını kapsayan bölgeyi göstermeyi hedefliyor. Bunu yapacak olursak, farklı kabukların ve alt kabukların şekillerini şu şekilde görebiliriz:
Peki, şimdi sorduğunuzu duyar gibiyiz: İyi de bunlar gerçek hayatta ne işimize yarayacak? İzah edelim.
Peki, Tüm Bu Öğrendiklerimiz Ne İşe Yarar?
Elektron Konfigürasyonları ve Aufbau Prensibi
Artık atom numarasını veya elektron sayısını bildiğimiz bütün atomların elektron dağılımını bilebiliriz! Bir atomun elektron dağılımlarına, elektron konfigürasyonu adını veriyoruz. Örneğin, 1 elektronu olan hidrojen (1H) atomunu düşünün. Bu 1 elektron, nereye giderdi? Tabii ki 1. kabuktaki tek alt kabuk olan s alt kabuğunun tek orbitaline... Bunu, 1s1 ile gösteririz. Bu ne demek? 1. kabuktaki s alt kabuğunda 1 adet elektron bulunmaktadır. Bir diğer deyişle "hidrojen" veya "1H" yazmak yerine, "1s1" de yazabiliriz.
Bu durumda etrafında 2 elektron dönen helyum (2He) ne olurdu? Tabii ki 1s2. Çünkü ikinci elektron da, 1. kabuktaki s alt kabuğunun tek orbitalinin 2. boşluğunu doldururdu. Yani her bir elektron, doldurabileceği en düşük enerjili orbitali dolduruyor ve bu sıra asla ihlal edilmiyor. İşte buna Aufbau Prensibi adını veriyoruz.[8] "aufbau", Almancada "inşa etmek" anlamına geliyor. Tabii ki her kuralın olduğu gibi, bunun da istisnaları var; örneğin d ve f alt kabuklarının yarım dolu olması atoma stabilite kazandırabiliyor. Ancak bu detaylar, bu yazımızın konusu olmayacak. Şimdilik devam edelim.
Peki buna 3. bir elektron ekleyip, lityum (3Li) atomunun konfigürasyonunu yazacak olsak? Artık 1. kabuğun s alt kabuğu tamamen doldu; çünkü tek orbitale sahip olan bu alt kabuğun 2 elektrondan fazla tutması mümkün değil. Bu durumda 3. elektron, 2. kabuğun s alt kabuğunun orbitalindeki 1. boşluğa gidecektir. Yani 1s2 2s1 konfigürasyonunda olacaktır. Bu konfigürasyona bakarak, birinci kabuğun tamamen dolu olduğunu, ikincisinin ise daha sadece ilk alt kabuğunun yarısının dolduğunu görebilmekteyiz.
5 elektronlu bor (5B) nasıl olurdu? 1s2 2s2 2p1 konfigürasyonunda! Nedenini görebiliyor musunuz? 4. elektron, tıpkı lityumdaki gibi, 2. kabukta boş kalan s alt kabuğunu doldururdu. 5. elektron ise artık s alt kabuğuna gelemezdi; ancak 3. kabuğa da geçmezdi; çünkü 2. kabukta halen doldurulmayı bekleyen p alt kabuğu var. Önce onun dolması gerekiyor. Birinci kabukta bunu yapmadık; çünkü birinci kabukta p alt kabuğu bulunmuyor. Dolayısıyla 1. kabukta s alt kabuğu dolduğu anda 2. kabuğa geçmemiz gerekti. Ama üst kabuklara geçtikçe, daha fazla alt kabuğumuz olduğunu unutmayın! Ve bu fazlalığın nedeninin, kabuk arttıkça enerjinin artması olduğunu da...
Daha uç bir örnek yapalım: kalsiyum (20Ca). 20 elektronu konfigürasyonlara göre dağıtacak olursanız, karşınıza şöyle bir konfigürasyon çıkar: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2. Görebileceğiniz gibi, her bir alt kabuk dolunca bir sonraki alt kabuğa, her bir kabuk dolunca da bir sonraki kabuğa geçiyoruz.
Ama bir istisna gözünüze çarpmış olabilir: 3. kabuk daha dolmadı! 3. kabukta s, p ve d alt kabukları var. Daha d kabuğuna geçmedik bile; neden 4. kabuktaki s alt kabuğu geldi ki? Kalsiyumun konfigürasyonunda 4s2 yerine 3d2 olması gerekmez miydi? Çok haklısınız; ancak unutmayın: Bunlar, öylesine uydurduğumuz harfler değiller. Bunlar, elektronların enerji seviyelerine karşılık gelen harfler. Ve yapılan ölçümler, 4. kabuğun s alt kabuğunun enerjisinin, 3. kabuğun d alt kabuğunun enerjisinden daha düşük olduğunu gösteriyor. Bu nedenle 18. elektrondan sonra (yani 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 konfigürasyonuna ulaştıktan sonra) 1 adet daha elektron koymaya çalışınca, bu elektron 3d1 konfigürasyonuna gitmek yerine, 4s1 pozisyonuna gitmeyi tercih ediyor. Bu durum, doğadaki cisimlerin enerjilerini minimuma indirme çabasının harika bir örneği! Yani yukarıda, 2 görsel önce gösterdiğimiz alt kabuk enerjilerini daha doğru bir şekilde gösterecek olursak:
Görebileceğiniz gibi 4s, 3d'den daha düşük enerjiye sahip. Benzer şekilde 5s, 4d'den daha düşük; 5p de 4f'ten daha düşük enerji seviyelerine sahip. Bu nedenle elektronlar, onlara verdiğimiz sayıları takip etmek yerine, tam olarak bu seviyeleri dolduracak biçimde atom etrafındaki yerlerini alıyorlar.
"İyi de o zaman ona göre isim verelim!" diyebilirsiniz. Ama bu isimleri biz elektronlara bakarak değil, elektronların atom etrafındaki olasılık hesaplarını yaparak belirliyoruz. Enerji seviyelerini belirleme işi ayrı bir konu ve orbital isimlendirmesi enerji seviyesinden gelmiyor. Bu nedenle arada ufak bir uyumsuzluk var.
Bu da birçoklarını, o meşhur tekerlemeleri ezberlemeye itiyor:
- "si si pisi pisi de pisi de pisi..."
- "es es pi es pi es dö pi es"
- "Seda Sayan, paraları saydı, paraları saydı, durmadan paraları saydı, durmadan paraları saydı, Fatma da paraları saydı, Fatma da paraları saydı"
- "Sakıp Sabancı para sayar, para sayar, daima para sayar, fani dünyada para sayar."
Yani, ilk harfleri takip edecek olursanız: s s p s p s d p s f d p s. Sonrasında da her harfe bir sayı atayacağız ve her yeni harf gördüğümüzde sayıyı 1 adet arttıracağız (asla sayı azaltmayacağız): 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s ve hatta 5f 6d 7p 8s... diye devam edebiliriz. Eğer bunu daha kolay hatırlamak isterseniz, aşağıdaki görseli öğrenmeye çalışabilirsiniz:
Bu grafikte, sol tarafta elektron orbitallerinin artan enerji sırasında dizildiğini görebilirsiniz. Tek yapmanız gereken, oku takip etmektir. Bu grafiği kolayca hazırlamak için, şu adımları takip edebilirsiniz:
- En soldaki sütuna, 1'den 7'ye kadar (veya kaça kadar gitmek istiyorsanız o kadar sayıda) kabuk sayılarını yazın. Yukarıdaki görselde hem sayısal olarak, hem harf karşılıkları verilmiştir. Ayrıca küçük sayılar, o kabuktaki maksimum elektron sayısını da göstermektedir. Sizin bu kadar detay bilmenize gerek yok; sadece 1, 2, 3,... 7 diye yazabilirsiniz.
- Sonrasında, yukarıdan aşağıya doğru, s alt kabuklarını 1. kabuktan 8. kabuğa kadar yazın (veya kaçıncı kabuğa kadar gitmek istiyorsanız o kadar). Yani alt alta 7-8 tane s koyun.
- Sonrasında, 1 satır atlayarak, p alt kabuklarını yukarıdan aşağıya doğru yazın. İlk satırı atlama nedenimiz, 1p diye bir alt kabuğun kuantum mekaniği kuralları çerçevesinde var olamıyor olmasıdır.
- Benzer şekilde, 1 satır daha atlayarak, d alt kabuklarını alt alta yazın.
- Sonrasında da 1 satır daha atlayarak f alt kabuklarını alt alta yazın.
- Sonrasında, Alman fizikçi Erwin Madelung anısına Madelung Kuralı veya Kıvrımlı Amca Yolu (İng: "Uncle Wiggly Path") olarak da bilinen zigzaglı köşegen yolunu çizin.
- İşte bu kadar! Elektron konfigürasyonlarını doğru sırasında yaptınız.
Periyodik Cetveli İnşa Edin!
Benzer şekilde, sadece bu bilgileri kullanarak, periyodik cetveli sıfırdan inşa edebiliriz! Aslında periyodik cetvel dediğimiz şey, en nihayetinde atomların elektron konfigürasyonlarına göre dizilmesinden ibarettir! Klasik bir periyodik cetveli hayal edin:
Aslında bu periyodik cetvel, elektron konfigürasyonlarını gizlemektedir. Şöyle ki:
Her bir atomun, bir elektron konfigürasyonundan ibaret olduğunu unutmayın. Doğada "sodyum" diye bir şey yok! Bir miktar proton ve nötron etrafında dönen 11 tanecik elektron var. Bu elektronlar, 1s2 2s2 2p6 3s1 düzeninde dizilmiş haldedir. Bu atomun etrafındaki bu elektronları taşıyan madde konfigürasyonuna biz "sodyum" diyoruz; çünkü o konfigürasyon, bu elektron dağılımına bağlı olarak, hep belli şekillerde davranıyor. Biz, o davranışlar bütününe "sodyum x yapar, sodyum y yapar" gibi adlandırmalar ve yakıştırmalar yapıyoruz.
Ve bilin bakalım ne! 3. satır 1. sütunda yer alan sodyum elementinin konfigürasyonu, periyodik cetvelin yukarıdan aşağıya doğru, satırlarda soldan sağa doğru okunmasıyla aynen üretilebilir:
- En üst satırda 1s vardır ve bu 1s tamamen doludur: 1s2
- Bir alt (yani 2.) satırda 2s ve 2p vardır ve bunlar da tamamen doludur: 2s2 2p6
- Bir alt (yani 3.) satırda artık elemente ulaşırız. Elementimiz 1. sütunda, bu nedenle geriye 1 elektronumuz kaldı: 3s1
- İşte size sodyum: 1s2 2s2 2p6 3s1
Hayatı Anlamlandırın!
Elektron konfigürasyonları, atom fiziğini ve kimyasının kalbinde yer alır. Konfigürasyonlara bakarak, bir atomun bir diğer atom ile bağ kurup kuramayacağını, kurarsa ne tür bir bağ kuracağını öngörebilirsiniz. Hatta bir atomun dengeli olup olmadığını bile kestirmeniz mümkün olur, böylece bir elementin radyoaktif niteliklerine dair hızlıca fikir edinebilirsiniz.
Nihayetinde etrafımızda olup biten her şey, atomların ve daha spesifik olarak elektronların hareketi ile mümkün olmaktadır. Şöyle düşünün: Elektronların konfigürasyonuna bağlı olarak atomlar arasındaki hareketi olmasaydı, fotosentez mümkün olmazdı; fotosentez mümkün olmasaydı, biz Homo sapiens türü (ve oksijene bağımlı diğer milyonlarca tür) bugün burada olamazdık!
Sonuç
Elbette bu konu burada anlattıklarımızla sınırlı değildir. Orbitallerin görelilik kuramı çerçevesinde değerlendirilmesi, orbitaller arası geçiş, kompleks orbitaller ve gerçek orbitaller, orbitallerin şekillerine yönelik detaylar ve hatta bu şekillerin bir davul zarının titreşimine benzetimi (analojisi) gibi birçok detay mevcut. Nihayetinde bu konu, fiziğin, özellikle de kimyanın en temel konuları arasında yer almakta ve öğrenilecek çok şey var! Ama burada yaptığımız temel düzeyde girişin, Evren'imizi oluşturan en temel parçacıklar arasında yer alan elektronların, atom etrafındaki doğasını çok daha yakından tanımanızı sağlayacağını umuyoruz.
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.
İlginizi Çekebilecek Sorular
- Soru cevap kısmında benzer soruları, önceden sorulmuş ya da daha nitelikli olanına yönlendirmek için sorunun altına bir buton eklenebilir mi?
- Peki evrende bir şeyi tamamen yok edebilir miyiz? Bir atomu, tamamen yok edebilir miyiz?
- Göze giren ışık yavaşlarmı?
- 19
- 6
- 3
- 1
- 1
- 1
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- 0
- L. J. Curtis. (2003). Atomic Structure And Lifetimes: A Conceptual Approach. ISBN: 9780521536356. Yayınevi: Cambridge University Press.
- J. Coffey. What Is An Electron. (10 Eylül 2010). Alındığı Tarih: 28 Eylül 2020. Alındığı Yer: Universe Today | Arşiv Bağlantısı
- E. J. Eichten, et al. (1983). New Tests For Quark And Lepton Substructure. Physical Review Letters, sf: 811. doi: 10.1103/PhysRevLett.50.811. | Arşiv Bağlantısı
- NIST. Codata Value: Proton-Electron Mass Ratio. Alındığı Tarih: 28 Eylül 2020. Alındığı Yer: NIST | Arşiv Bağlantısı
- K. S. Krane. (1987). Introductory Nuclear Physics. ISBN: 9780471805533. Yayınevi: Wiley.
- R. P. Feynman, et al. (2020). The Feynman Lectures On Physics Vol 1. ISBN: 9780805390469.
- Department of Chemistry & Physics. Rules For Filling Orbitals. Alındığı Tarih: 28 Eylül 2020. Alındığı Yer: Georgia Southern University | Arşiv Bağlantısı
- A. M. Helmenstine. What The Aufbau Principle Means In Chemistry. (24 Mart 2019). Alındığı Tarih: 28 Eylül 2020. Alındığı Yer: ThoughtCo | Arşiv Bağlantısı
- R. M. Eisberg, et al. (1985). Quantum Physics Of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, And Particles. ISBN: 9780471873730. Yayınevi: Wiley.
- Y. Peleg, et al. (2010). Schaum's Outline Of Quantum Mechanics (Schaum's Outline Series). ISBN: 9780071623582. Yayınevi: McGraw-Hill Education.
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 04/08/2021 08:45:38 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/9394
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.