Atom Modelleme:
Nanoteknolojinin önemi, atomlar ve moleküller seviyesinde (1 ila 100 nanometre (nm) skalasında) çalışarak, gelişmiş ve/veya tamamen yeni fiziksel, kimyasal, biyolojik özelliklere sahip yapılar elde edilmesine imkan sağlamasından kaynaklanmaktadır. Teknik açıdan açıklamak gerekirse malzeme özellikleri ve cihazların çalışma prensipleri, genel olarak 100 nm?den büyük boyutları temel alarak yapılan varsayımların sonucunda ortaya çıkarılmış geleneksel modelleme ve teorilere dayanmaktadır. Kritik uzunluklar 100nm?nin altına indiğinde ise geleneksel teori ve modeller ortaya çıkan özellikleri açıklamakta çoğu zaman yetersiz kalmaktadır.
Atomlarda elektron dağılımı
Atomda çeşitli tabakalar bulunduğu gibi,her tabakada da çeşitli alt
enerji düzeyleri veya orbitaller bulunur. Enerji düzeyleri belli sayıda
elektron içerir ve elektronların bu enerji düzeylerinde ne şekilde dizildiklerini ilgili
kuantum sayıları belirli kurallar çerçevesinde tayin eder.Başlıca dört
kuantum sayısı mevcuttur
Baş kuantum sayısı (n) : Atomda bulunan ve belirli enerji değerlerine sahip olabilen çeşitli tabakaları göstermek için kullanılır. Yan kuantum sayısı ( I ) : Atom etrafındaki her tabaka çeşitli alt enerji düzeylerini içerirler.Yan kuantum sayıs,herhangi bir tabakada bulunan bir elektronun,hangi enerji düzeyinde bulunduğunu gösterir.Sıfır ile (n-1) arasında değişen değerler albilir. Magnetik kuantum sayısı(m): Ataomda her alt enerji düzeyi (veya orbital) bir veya daha fazla orbitalden oluşmuştur. Magnetik kuantum sayısı herhangi bir alt enerji düzeyindeki elektronun hangi orbitalde bulunduğunu açıklar. Kuantum sayısı (Enerji düzeyi) . Elektron Dağılımı : Elektronlar çekirdeğin çevresindeki yörüngelerde bulunurlar. Elketronların bulunma ihtimalinin fazla olduğu yerlere orbital denir. Orbitaller s,p,d,f… gibi harflerle gösterilirler. Her hangi bir enerji düzeyindeki orbital sayısı n2 dir.(n=enerji seviyesi olup 1,2,3,4… gibi tam sayılardır). Herhangi bir enerji seviyesinin alabileceği elektron sayısı ise 2n2 ile hesaplanır. Örneğin, 3. Enerji seviyesinde 2.32=18 orbital vardır. Bu enerji seviyesinde 18 elektron bulunabilir.
ELEKTRONLARIN ORBİTALLERE YERLEŞİM SIRASI:
Şekilde görüldüğü gibi elektronlar 1s22s22p63s23p64s2 3d10 4p65s2………..sırasına göre orbitallere yerleşmektedir. Hund Kuralı : Elektronlar orbitallere önce birer birer yerleşir. Boş orbital varken elektron çiftleşemez. Pauli Kuralı : Elektronlar çekirdeğin çevresinde dönerken aynı zamanda kendi eksenleri etrafında da dönerler. Birisi saat ibresi yönünde dönerken diğeri onun tersi yönünde döner.(+1/2, -1/2) Örnek : Atom numarası 17 olan X elementin elektron dağılımını yapınız ? Çözüm : 1s22s22p63s23p5 şeklinde olur. Orbitallerin baş tarafındaki sayılar temel enerji düzeyini (baş kuant sayısını) üstündeki sayılar ise elektron sayılarını göstermektedir. 17X: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Örnek: 10Ne, 18Ar, 36Kr soygaz atomlarının elektron dizilişlerini yazınız ?
10Ne : 1s2 2s2 2p6 18Ar: 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 36Kr: 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4s2 3d10 4p6 Uyarılmış Hal : Bir elektronun bulunduğu orbitalden enerji verilerek bir üst enerjili orbitale geçmesiyle yazılan elektron dağılımına uyarılmış hal denir. Kararlılık ve Değerlik Elektron Sayısı : Soygazların son yörüngeleri tamamen dolu olup 8 elektron içerirler. Kararlı yapıda olan bu gazlar elektron alış-verişi yada elektron ortaklığı yapamazlar. Bu sebepten dolayı soygazlar kimyasal tepkime vermezler. Değerlik Elektron Sayısı : Bir elementin kendinden önceki soygazdan fazla bulundurduğu veya son enerji düzeyindeki elektron sayısıdır. Örnek : 15X = : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 Son enerji düzeyinde 3+2=5 e- bulunduğundan değerlik elektron sayısı 5 dir. Genelde değerlik elektron sayısı 1,2,3 olanlar METAL, 4,5,6,7 olanlar AMETAL 8 olanlarda SOYGAZ özelliği gösterirler.
Değerlilik: Bir elementin kararlı yapıya(son yörünge Karizmatik ulaşabilmesi için alması yada vermesi gereken elektron sayısına değerlilik denir. Örnek : 17X: : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Bu elementin değerlik elektron sayısı 5+2=7 dir. Ya 7 elektron vererek kendisinden önceki soygaza benzeyecek (+7) yada 1 elektron alarak (-1) son yörüngeyi 8 e tamamlayacaktır. Bir elementin alabileceği değerliklerin mutlak değerlikleri toplamı 8 dir. Metaller elektron almadıklarından negatif değerlik almazlar. Örnek : 11Na, 15P, 18Ar elementlerinin değerliklerini ve metal mi, ametal mi olduğunu belirleyiniz. Çözüm : 11Na : 2 8 1 değerlik elektron sayısı 1 olup metaldir. Değerliliği +1 dir. 15P : 2 8 5 değerlik elektron sayısı 5 olup ametaldir. Değerliliği +5 ile -3 arasındadır. 18Ar: 2 8 8 değerlik elektronu 8 olup soygazdır. Değerliliği yoktur. İyon Kavramı : Elektron alış-verişi yapmış atomlara iyon denir. İyon ,katyonlar ,anyonlar: NH4+, Ca+2, K+1, Al+3 CO3-2, Cl-, SO4-2 Katyon : Pozitif yüklü atom yada atom gruplarıdır. Katyonların özellikleri : 1. Elektron koparıldığı için elektron sayıları nötr atomlarınınkinden azdır. 2. Atom çapı nötr atomlarınınkinden küçüktür.(elektron koparıldıkça atom çapı küçülür.) 3. Proton sayıları elektron sayılarından büyüktür. Anyon : Negatif yüklü atom yada atom gruplarıdır. Anyonların Özellikleri : 1. Elektron aldıkları için nötr atomlarına göre elektron sayıları fazladır. 2. Atomun çapı nötr atomlarınınkinden büyüktür.(elektron aldıkça atom çapı büyür.) 3. Elektron sayısı proton sayısından büyüktür. Bir atom verdiği elektron sayısı kadar pozitif (+) , aldığı elektron sayısı kadar negatif (-) değerlik alır. İyonlaşma Enerjisi : Gaz halindeki nötr bir atomdan bir elektronu koparmak için gerekli olan enerjiye iyonlaşma enerjisi denir.
1. Elektron koparılıyorsa I. İyonlaşma enerjisi(E1),
2. Elektron koparılıyorsa II. İyonlaşma enerjisi(E2)….adını alır. Bir atomda her zaman E1X>Z olur. Periyodik tabloda soldan sağa doğru gidildikçe atom çapı azalmakta ve Ei artmaktadır. Yukarıdan aşağıya inildikçe atom çapı arttığından Ei azalmaktadır.
Örnek : X elementinin ilk 4 iyonlaşma enerjileri : E1= 140 E2= 290 E3= 600 E4 = 3200 k.kal/mol olduğuna göre X elementinin değerlik elektron sayısı kaçtır ? 140-290-600-3200 600 den ani bir artışla 3200 kk/mol e çıkmasının sebebi 3200 kk ile soygaz elektron düzeninden(8 den) elektronun koparıldığını gösterir. Demek ki bu atom 2 8 3 şeklinde olup ilk 3 elektron çok az bir enerjiyle kopmuştur. Değerlik elektron sayısı 3 dür. Küresel Simetri : Bir atomun elektron dizilişindeki en son orbital tam dolu yada yarı dolu ise atom küresel simetri özelliği gösterir. Küresel simetri gösteren atomlarda elektronlar çekirdek tarafından simetrik çekilirler. Simetrik çekilen elektronu koparmak fazla enerji gerektirir.
Bir atomun elektron dizilişi s1,s2, p3,p6, d5.d10, f7, f14 ile bitiyorsa o atom küresel simetri özelliği gösterir. Örnek : I- 15X II- 13Y III- 25Z atomlarından hangisi yada hangileri küresel simetri gösterir ? Çözüm : 15X: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 (P3 ile bittiği için küresel simetri) 13Y : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 (p1 ile bittiği için küresel simetri değil) 25Z : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 (d5 ile bittiği için küresel simetri)