Atom Kütleleri - personals.okan.edu.tr

download report

Transcript Atom Kütleleri - personals.okan.edu.tr

Bölüm 2:
Atomlar ve Atom Teorisi
İçerik
• İlk kimyasal bulgular
• Elektronlar ve atom çekirdeği
• Kimyasal elementler
• Atom kütleleri
• Mol kavramı
İlk Keşifler
Democritus (MÖ 470-400)
Democritus bir antik Yunan düşünürüdür. Fiziksel dünyanın
doğasına ait zamanının en gelişmiş teorisini ortaya atmıştır.
Democritus’a göre;
• Doğadaki her şey atomlardan meydana gelmiştir.
• Atomlar duyularla algılanamayacak kadar çok küçük
parçacıklardır.
• Hepsi aynı maddeden yapılmışlardır fakat farklı büyüklük, şekil
ve ağırlıklara sahiptirler.
• Atomlar herhangi bir şeyden oluşturulamaz, bölünemez ve yok
edilemez parçacıklardır.
İlk Keşifler
Lavoisier 1774
Kütlenin Korunumu
Kanunu
Proust 1799 Sabit Oranlar Yasası
Dalton 1803-1808 Dalton Atom Teorisi
Kütlenin Korunumu Kanunu
Lavoisier, Kimya’nın kurucusu olarak bilinir.
Tepkimeye giren reaktiflerin kütleleri toplamı, tepkimeden
çıkan ürünlerin toplamına eşittir.
Reaktifler
Gümüş
nitrat ve
potasyum
kromat
Ürünler
Gümüş
kromat ve
potasyum
nitrat
2 AgNO3 (aq) + K2CrO4 (aq)  Ag2CrO4 (k) + 2 KNO3 (aq)
Sabit Oranlar Yasası
Bir bileşiğin bütün örnekleri aynı bileşime
sahiptir. Yani, bir bileşikte bileşenler sabit
bir oranda birleşirler.
Buna Sabit Oranlar Yasası denir
Miktar (g)
Su
H
O
Örnek A
10,0000
1,1190
8,8810
Örnek B
27,0000
3,0213
23,9787
Örnek A
%Oran
11,19
88,81
Proust 1799
Fransız Kimyacı
Örnek B
%Oran
11,19
88,81
Su molekülü %11,19 Hidrojen ile
%88,81 Oksijen’den oluşur.
Dalton Atom Teorisi
•
John Dalton
(1766-1844)
•
•
•
Elementler atom denilen çok küçük parçacıklardan
meydana gelmiştir. Bir elementin bütün atomları
büyüklük, kütle ve kimyasal özellikler bakımından
birbirinin aynıdır.
Bir elementin atomları, diğer bütün elementlerin
atomlarından farklıdır.
Bileşikler birden fazla elementin atomlarından
meydana gelmiştir. Herhangi bir bileşikte, herhangi
iki elementin atomlarının sayılarının birbirlerine oranı
basit ve sabit bir orandır.
Bir
kimyasal
reaksiyon
sadece
atomların
birbirlerinden ayrılmalarını, birleşmelerini veya
yeniden
düzenlenmelerini
içerir.
Kimyasal
reaksiyonlarda atomların oluşmaları veya yok
olmaları söz konusu değildir.
Atomun Yapısının Elektrik ve Manyetizmanın
Kullanımıyla Keşfedilmesi
Atomun yapısını incelerken elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki
ile ilgili bir miktar önbilgiye gereksinim vardır.
Yüklü Taneciklerin Davranışları
Tüm maddeler yüklü taneciklerden oluşur.
Q  Q
Q  Q
Q  Q


 Nötr


 Pozitif yüklü


 Negatif yüklü
• Aynı yüklü tanecikler birbirlerini
iterler.• Zıt yüklü tanecikler birbirlerini çekerler.
• Yüklü tanecikler manyetik alanda saparlar.
İtme ve çekme kuvveti, F, yük miktarı (Q1
ve Q2) ile doğru, yükler arası mesafenin
karesi (r2) ile ters orantılıdır. Bu kuvvete
Coulomb kuvveti denir.
Q1 Q2
F k 2
r
k:Coulomb sabiti
Yüklü Taneciklerin Davranışları
Doğrusal yönde ilerleyen yüklü
tanecikler,
manyetik alandan
geçerken sapma gösterirler.
Bu sapma, Manyetik alan yüklü
tanecikler
üzerine
geliş
doğrultularına dik bir kuvvet
uygulamasından kaynaklanır.
Manyetik alan çizgilerinin
kuzeyden güneye yöneldikleri
varsayılır.
Elektronun Keşfi
CRT olarak bilinen televizyon ve bilgisayar ekranları katot
ışınları tüpü denen bir düzenek içerir. Bu tüp ilk kez Michael
Faraday (1791-1867) tarafından yapılmıştır.
Havası boşaltılmış tüpte katot’tan çıkan ışınların anoda doğru gittiği
görülmüştür. Bu ışınlar - yüklü olup ZnS’lü yüzeyde flüoresans yaparlar.
Katot Işınlarının Özellikleri
1897’de J.J. Thompson şekildeki düzeneği kullanarak
elektronun kütlesine oranını hesaplamıştır ve katot
ışınlarının aslında bütün atomlarda bulunan negatif yüklü
tanecikler olduğunu ortaya koymuştur. Bundan sonra katot
ışınlarına elektron adı verilmiştir.
Katot ışınları
yani elektronlar
elektrik ve
manyetik alanda
saparlar.
Elektron için m/e = -5.6857 x 10-9 g/coulomb
Millikan’ın Yağ Damlası Deneyi
• Millikan yüklü yağ damlacıklarının yerçekimi Robert Millikan
(1868-1953)
etkisiyle aşağı doğru olan hareketlerinin
plakalar tarafından uygulanan elektrik alan
ile dengelenebildiğini gözlemiştir.
• Millikan Yağ Damlası deneyi ile bir elektronun yükünün değerini
ölçmüştür.
• Thompson tarafından ölçülen m/e değerini kullanılarak elektron
kütlesini de bulmuştur.
e = 1,6022 x 10-19 C
me = 9,1094 x 10-28 g
Thompson’un Atom Modeli
Elektronların keşfinden sonra
Thompson bir atom modeli öne
sürdü.
Bu modele göre, nötr bir atomda eksi
yükü dengeleyen artı yükler bir bulut
şeklinde atom içerisine dağılmış
olmalıdır. Eksi yükler ise atomun belli
yerlerinde bulunurlar (Üzümlü kek
modeli).
Thompson atom modeline göre
He atomu ve iyonları
X-Işınları ve Radyoaktiflik
• 1895’de Wilhelm Roentgen bazı
maddelerin
katot
ışınlarıyla
etkileştiklerinde
ışıma
yaptıklarını keşfetti ve o zamana
dek bilinmeyen bir ışıma olduğu
için bunlara X-ışınları adını verdi.
4
2
He2
0
1
e
• Ernest Rutherford, radyoaktif
maddelerden yayılan alfa ve beta
ışınlarını, Paul Villard ise gama
ışınlarını buldu.
•Antoine Becquerel ise uranyum ile yaptığı bir dizi
deneyler sonucunda bu maddenin katot ışınlarıyla
etkileşmeden kendiliğinden ışıma yaptıklarını
bularak radyoaktifliği keşfetti.
•1900’lü yılların başında, Marie ve Pierre Curie pek
çok radyoaktif element keşfettiler. Bu elementlerin
en önemlileri Ra ve Po’dur
Atom çekirdeğinin tanecikler veya elektromanyetik
ışımalar yayarak kendiliğinden parçalanmasına
Radyoaktivite(Işın etkinlik) denir.
Radyoaktif bozunmaya uğrayan radyoaktif bir
elementin kimyasal özellikleri değişir. Yani bir
element başka bir elemente dönüşür.
X-Işınları ve Radyoaktiflik
Alfa tanecikleri: İki temel pozitif yük
birimi taşıyan ve helyum kütlesine
4
2
2 He
sahip olan tanecikleridir ve +2
yüklüdürler.
0
Beta tanecikleri: radyoaktif atomların
1 e
çekirdeğinde
meydana
gelen
değişmeler sonucu ortaya çıkan negatif
yüklü taneciklerdir. Elektronlarla aynı
özellikleri taşırlar.
Gama ışınları: deliciliği çok fazla
olan elektromanyetik ışınlardır.
Alfa ve beta tanecikleri yüklü
oldukları için elektrik alanda
saparlar. Ancak yüksüz gama
ışınları elektrik alanda sapmazlar.
Atom Çekirdeği
Altın yaprak deneyi
1909’da Rutherford ve Geiger alfa-parçacıklarının altın
levha (yaprak) tarafından saçılması deneyini yaptılar ve
aşağıdaki sonuçları elde ettiler.
Atom Çekirdeği
Altın yaprak deneyinden elde edilen sonuçlar
1. Metal yaprağa gelen alfa
parçacıklarının
büyük
çoğunluğu
sapmaya
uğramadan geçerler.
2. Bazı alfa parçacıkları çok az
sapmaya uğrar.
3. Birkaç
tanesi
(yaklaşık
20.000’de biri) metal yaprağı
geçerken
önemli
miktarda
sapar.
4. Yine birkaç tanesi yaprağı
geçemez ve geri döner.
Bu sonuçlar Thompson atom
modeli ile açıklanamaz.
Tomson atom modeline göre
alfa
taneciklerinin
olası
sapmaları
Atom Çekirdeği
Rutherford’un atom modeli
1. Bir atomun kütlesinin çok büyük
bir kısmı ve pozitif yükün tümü,
çekirdek denen çok küçük bir
bölgede yoğunlaşır. Atomun
büyük bir kısmı boş bir uzay
parçasıdır.
2. Pozitif
yükün
büyüklüğü
atomdan atoma değişir ve
elementin
atom
ağırlığının
yaklaşık yarısıdır.
3. Çekirdeğin dışında, çekirdek
yüküne eşit sayıda elektron
bulunur. Atomun kendisi elektrik
yükü bakımından nötürdür.
Atom Çekirdeği
Rutherford 1919 yılında havadaki azot atomlarından
saçılan
alfa
parçacıklarını
incelerken
atom
çekirdeğindeki pozitif yüklü tanecikleri keşfetmiş ve
bunlara proton adını vermiştir.
1932 yılında ise James Chadwick atom çekirdeğinden
gelen ve nötr parçacıklardan oluşan nötronları
keşfetmiştir.
Atom çekirdeğinde bulunan proton ve
nötron taneciklerine nükleon adı verilir.
Rutherford’un
atom modeli
Atomu oluşturan Temel Tanecikler
Elektron (e) bir atom birimi negatif yük taşır.
Proton (p) bir atom birimi pozitif yük taşır.
Nötron (n) ise yüksüzdür.
mp ~
 mn  me
Atomik kütle birimi: Karbon-12 atomunun kütlesinin 1/12’sine
(on ikide birine) eşittir ve akb ile gösterilir.
Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısına atom numarası
(Z), atomun kütlesine yani çekirdekteki proton ve nötron
sayısına kütle numarası (A) denir.
Nötür bir atomda:
Zp
pe
A pn
n  A Z
Atom Skalası
En ağır atomun kütlesi sadece 4.32 x 10-22 g’dır ve bu atom
çapı sadece 5 Å’dur.
Atom skalasında sıkça kullanılan birimler:
 1 akb (atomik kütle birimi) = 1.66054 x 10-24 kg
 1 pm (pikometre) = 1 x 10-12 m
 1 Å (Angstrom) = 1 x 10-10 m = 100 pm = 1 x 10-8 cm
Tipik C-C bağ uzunluğu 154 pm (1.54 Å)
Moleküler modellerde genellikle 1 cm 0.4 Å’ü gösterir.
Kimyasal Elementler
Bir elementin bütün atomları aynı atom numarasına (Z)
sahiptir. Şu anda bilinen elementlerin atom numaraları
Z=1’den Z=109’a kadar değişir. Her bir elementin bir
adı ve simgesi vardır. Çoğu elementin kimyasal
simgesi, İngilizce adının bir kısaltmasıdır ve bir ya da
iki harf içerir. Çok eskiden beri bilinen bazı
elementlerin
simgeleri
Latince
adlarına
göre
verilmiştir.
Uranyumdan (Z=92) daha büyük atom numaralı
elementler doğada bulunmazlar. Bunlar parçacık
hızlandırıcılar
yardımıyla
elde
edilen
yapay
elementlerdir.
Element
Karbon
Oksijen
Nitrojen
Sülfür
Neon
Silisyum
Ferrium
Plumbum
Natrium
Kalium
Simge
C
O
N
S
Ne
Si
Fe
Pb
Na
K
Kimyasal Elementler
proton sayısı +
nötron sayısı
Proton sayısı
A
Z
X

Yük (p-e)
Elementin simgesi
Dalton, bir elementin tüm atomlarının aynı kütleye sahip
olacağını ileri sürmüştü ancak bugün biliyoruz ki, bir
elementin tüm atomlarının aynı kütleye sahip olmak
zorunda değildir.
Aynı atom numarasına (Z), fakat farklı kütle
numaralarına (A) sahip iki ya da daha çok atoma
izotop atomlar denir.
Örnek:
20
10
Ne
21
10
22
10
Ne Ne
İzotop:
Bütün
Ne
atomları
çekirdeklerinde 10 proton ve
bunların büyük çoğunluğu 10
nötron
taşırlar.
Fakat
bir
kısmının 11 ve bir kısmı ise 12
nötronu vardır.
20
10
Ne
%90,9
21
10
Ne
%0,3
22
10
Ne
%8,8
Doğada bulunma yüzdeleri
Kimyasal Elementler
20
I.
10
22
II.
10
Ne

Ne 2
Örnek:
37
17
iyon
Elektron veren ya da elektron alan atoma iyon
denir ve net bir elektron yükü taşır. İyon haline
gelen atomun proton yükü kesinlikle değişmez.
Birinci neon iyonu 10p, 10n, 9e içerir. (+1 yüklü)
İkinci neon iyonu 10p, 10n, 8e içerir. (+2 yüklü)
Cl ‘deki proton, nötron ve elektron sayılarını
bulunuz.
Z  p  17 A  p  n  35  17  n  n  18 p  e  17
Örnek: 29 proton, 34 nötron ve 27 elektron içeren
taneciğin simgesini yazınız.
İzotop Kütleleri
Tek bir atomun kütlesini, yalnızca temel taneciklerinin
kütlelerini toplayarak bulamayız. Çünkü, bir atom
çekirdeği, proton ve nötronlardan oluşurken, kütlenin bir
miktarı enerjiye dönüşür ve bu enerjinin açığa çıkması
sayesinde çekirdeği oluşturan tanecikler bir arada tutulur.
Çekirdekteki tanecikleri bir arada tutan bu enerjiye
bağlanma enerjisi denir ve miktarı önceden kesin olarak
bilinemez.
Atomların kütleleri nasıl bulunur?
Uluslararası kabule göre, C-12 izotopunun kütlesi tam 12
akb’dir. Diğer element atomlarının kütleleri bu standarda
göre belirlenir. Bu iş için kullanılan sisteme kütle
spektroskopisi adı verilir.
Kütle spektroskopisi
Gaz halindeki bir iyon demeti aşağıdaki düzenekten geçerken,
elektrik ve manyetik alanlar yardımıyla ayrılırlar. Ayrılan iyonlar
fotoğraf plakası üzerinde kütleleri ve yükleri ile orantılı olarak
çizgiler oluştururlar. Bu çizgiler C-12 çizgilerine oranlanarak
iyonların kütleleri elde edilir.
Kütle spektroskopisi
Örnek: Kütle spektrumu verilerine göre,
16O
kütlesinin
kütlesine oranı 1,33291 olarak bulunmuştur. Bir
atomunun kütlesi nedir?
Kütlelerin oranı 16O / 12C =1,33291 demek, 16O kütlesi
kütlesinin 1,33291 katı demektir. Buna göre;
16O
12C
16O
12C
kütlesi = 1,33291 x 12,00000 akb =15,9949 akb
Soru:Kütle spektrumu verilerine göre, 16O kütlesi
kütlesinin 1,06632 katı olarak bulunmuştur. Bir
atomunun kütlesi kaç akb’dir?
16O
kütlesi = 1,06632 x 15N kütlesi
15N
kütlesi = 15,9949 akb / 1,06632 =15,00009 akb
15N
15N
Atom Kütleleri
Atom kütleleri için 12 standart alınmasına rağmen,
elementlerin periyodik tablosunda karbonun atom
kütlesi 12,011 olarak verilir. Bu farkın sebebi
nedir?
Standart olarak alınan karbon atomları yalnızca
12C izotopudur. Oysa doğal karbonda 13C ve 14C
izotopları da bulunmaktadır. Bu iki izotopun varlığı
karbonun gözlenen atom kütlesinin 12’den büyük
olmasını sağlar.
Atom kütlesi (ağırlığı): İzotoplarının doğada bulunma
oranlarına göre, ağırlıklı atom kütlelerinin ortalamasıdır.
Ağırlıklı atom kütlesi şöyle hesaplanır:
İzotop
İzotop
Elementin
1’in
Atom = bulunma x 1’in
kütlesi
Kütlesi
yüzdesi
İzotop
2’nin
+
bulunma x
yüzdesi
İzotop
2’nin
kütlesi
+ ….
Atom Kütleleri
12C
kütlesi: 12,00000akb; doğada bulunma oranı: %98,892
13C kütlesi: 13,00335akb; doğada bulunma oranı: %1,108
Buna göre C atomunun ortalama kütlesi:
12C’nin
Karbonun
12C’nin
=
x
Atom
bulunma
kütlesi
Kütlesi
yüzdesi
+
13C’nin
13C’nin
bulunma x kütlesi
yüzdesi
Karbonun
= 0,9889212,00000 0,0110813,00335
Atom
Kütlesi
Karbonun
= 12,011 akb
Atom
Kütlesi
Mol Kavramı ve Avagadro
Sayısı
• Atomlar çok küçük olduklarından ve kimyada çalışılan
örneklerde sayılamayacak kadar çok atom olduğundan
atomların tek tek kütlelerinin ölçülebilmesi mümkün
değildir. Bu nedenle belli sayıda atomları içeren bir birim
geliştirilmiştir. Bu birime mol denir.
• Mol’ün tanımı: tam olarak 12,00g 12C izotopu örneğinde
bulunan 12C atomu sayısı kadar parçacık içeren (atom,
molekül veya diğer parçacıklar) madde miktarına denir.
Bir İtalyan kimyacı olan Avagadro bu sayının deneysel
olarak belirlenmesini sağlamıştır:
1 mol = 6,02214 x 1023 tane atom, molekül,
vb.
Mol Kavramı ve Avagadro
Sayısı
12,00g 12C = 1mol 12C atomu = 6,022x1023 tane 12C atomu
12,00g 12C örneği
1,993 x 10-23g = 1 tane 12C atomunun kütlesi
6,022 x 1023 tane 12C atomu
1 tane 12C atomu = 1,993 x 10-23g
1,661 x 10-24g
1 tane 12C atomu = 12akb
1akb = 1,661 x 10-24g
> 1g = 6,022 x 1023akb
1g
6,022 x 1023
6,022 x 1023 akb
1 mol
Oksijen: 16 akb
Oksijen = 16g/mol
Elementlerin atomik kütleleri (yani 1 atomun kütlesi)
ile mol kütleleri (yani 6,022 x 1023 tane atomun
kütlesi) sayısal olarak aynıdır fakat birimleri farklıdır:
1 tane oksijen atomu = 16 akb
1 mol oksijen = 16 g
F-19
Mg-24,26,25
Cl-35,37
Pb-207,206,208,204
Mol Kavramı ve Avagadro
Sayısı
Örnek: Potasyum-40 (40K) izotopu küçük atom nolu birkaç
doğal radyoaktif
izotoptan biridir. Doğada 0.012%
bolluktadır. 371 mg K içeren sütün içinde kaç 40K atomu
içilmiş olur? K= 39,1
mK(mg) x (1g/1000mg)  mK (g) x 1/MK (mol/g)  nK(mol)
nK = (371 mg K) x (10-3 g/mg) x (1 mol K) / (39,10 g K) = 9,49 x 10-3 mol K
nK(mol) x NA  atoms K x 0.012%  atoms 40K
atoms 40K = (9.49 x 10-3 mol K) x (6.022 x 1023 atoms K/mol K)
x (1,2 x 10-4
40K/K)
= 6,9 x 1017
40K
atomu içilmiş olur.