Atomun yapısı

Bir futbol stadyumunun ortasına bir bilye koyduğunuzu düşünün. Bilye bir atomun çekirdeğiyse, elektronlar stadyumun en uzak tribünlerinde bir yerlerde dolaşır; aradaki koca alan neredeyse boştur. Buna rağmen bütün stadyumun kütlesine yakını o küçük bilyededir. Atom böyle tuhaf bir yapıdır: hacminin hemen tamamı boşluk, kütlesinin hemen tamamı merkezdedir. Önceki derste bu resme hangi deneylerle ulaşıldığını gördük. Bu derste resmin parçalarını sayacağız. Bir atomun içinde kaç proton, kaç nötron, kaç elektron bulunduğunu söyleyen iki sayıyı, atom numarasını ve kütle numarasını öğrenecek; bu sayıları nötr atomlarda ve iyonlarda kullanacağız. Kimyada çözülen soruların pek çoğu, bir noktada bu sayımı yapmayı gerektirir.

• Proton, nötron ve elektronun yükünü, yaklaşık kütlesini ve atomdaki yerini karşılaştırırsın.
• Atom numarası ve kütle numarasını tanımlar, ᴬ_Z X gösterimini okursun.
• Nötr atomlarda ve iyonlarda proton, nötron ve elektron sayılarını bulursun.
• Proton, nötron ve elektron sayılarından hangisinin değişmesinin neyi değiştirdiğini açıklarsın.

Üç temel parçacık

Atom, çekirdek ve çekirdeğin çevresindeki elektronlardan oluşur. Çekirdekte proton ve nötron, çevresinde elektronlar bulunur. Bu üç parçacığın özellikleri şöyle karşılaştırılır:

Kütleler atomik kütle birimiyle (akb) verilir; proton ile nötronun kütlesi birbirine çok yakındır ve her biri yaklaşık 1 akb alınır. Elektronun kütlesi ise protonunkinin yaklaşık 1836'da biri kadardır; bu yüzden atomun kütlesi hesaplanırken çoğunlukla ihmal edilir. Protonun ve elektronun yükleri büyüklükçe eşit, işaretçe zıttır. Proton ve nötrona birlikte, çekirdeğin parçacıkları anlamında nükleon denir.

Çekirdek, atomun yanında çok küçüktür; atomun çapı çekirdeğin çapından on binlerce kat büyüktür. Kanca bölümündeki stadyum benzetmesi bu oranı anlatır: kütle merkezde, hacim boşluktadır.

Atom numarası ve kütle numarası

Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısına atom numarası denir ve Z ile gösterilir. Atom numarası bir elementin kimliğidir: hidrojenin bütün atomlarında 1, karbonun bütün atomlarında 6, oksijenin bütün atomlarında 8 proton vardır. Proton sayısı değişirse element de değişir.

Çekirdekteki proton ve nötron sayılarının toplamına kütle numarası denir ve A ile gösterilir:

A = p + n

Buradan nötron sayısı kolayca bulunur: n = A − Z. Kütle numarası bir tam sayıdır ve atomun yaklaşık kütlesini akb cinsinden verir; elektronlar bu toplama katılmaz.

Gösterim

Bir atom, element sembolünün sol üstüne kütle numarası, sol altına atom numarası yazılarak gösterilir: ᴬ_Z X. Örneğin ²³₁₁Na gösterimi, atom numarası 11 ve kütle numarası 23 olan sodyum atomunu anlatır. Bu atomda 11 proton ve 23 − 11 = 12 nötron vardır. İyon yükü, KİM-O derslerinde gördüğümüz gibi sembolün sağ üstüne yazılır: ²³₁₁Na⁺.

Nötr atomda elektron sayısı

Nötr bir atomda artı yüklerin sayısı eksi yüklerin sayısına eşittir; bu yüzden elektron sayısı proton sayısına eşittir. ³²₁₆S atomunda 16 proton, 16 elektron ve 32 − 16 = 16 nötron bulunur.

İyonlarda elektron sayısı

Atomlar kimyasal tepkimelerde çekirdeklerini değil, elektronlarını değiştirir. Bir atom elektron verirse artı yüklü bir iyona, yani katyona, elektron alırsa eksi yüklü bir iyona, yani anyona dönüşür. İyonlaşmada proton ve nötron sayıları değişmez; yalnız elektron sayısı değişir.

Elektron sayısını bulmanın kuralı tektir: elektron sayısı = proton sayısı − iyon yükü. Yük artıysa çıkarılır, eksiyse eksi bir sayıyı çıkarmak toplamak demek olduğu için eklenir.

• ²³₁₁Na⁺: 11 − (+1) = 10 elektron.
• ¹⁶₈O²⁻: 8 − (−2) = 10 elektron.
• ⁵⁶₂₆Fe³⁺: 26 − 3 = 23 elektron; nötron sayısı 56 − 26 = 30.
• ³⁵₁₇Cl⁻: 17 + 1 = 18 elektron; nötron sayısı 35 − 17 = 18.

İyon olsa bile kütle numarası değişmez, çünkü elektronun kütlesi hesaba katılmayacak kadar küçüktür ve kütle numarası yalnız çekirdeği sayar.

Sayılardan yükü bulmak

Aynı ilişki ters yönde de kullanılır: bir taneciğin proton ve elektron sayıları biliniyorsa yükü bulunur. Yük = proton sayısı − elektron sayısı. Sonuç artıysa tanecik bir katyon, eksiyse bir anyon, sıfırsa nötr bir atomdur. Örneğin 12 proton ve 10 elektron taşıyan bir tanecik 12 − 10 = +2 yüklüdür; atom numarası 12 olan magnezyumun Mg²⁺ iyonudur. 15 proton ve 18 elektron taşıyan bir tanecik ise 15 − 18 = −3 yüklüdür; fosforun P³⁻ iyonudur. Bu hesap yapılırken kütle numarasına bakmaya gerek yoktur, çünkü nötronlar yükü etkilemez. Sorularda çoğu zaman bir tablo verilir ve tablodaki taneciklerden hangisinin iyon, hangisinin nötr atom olduğu sorulur; her satır için proton ile elektron sayısını karşılaştırmak yeter. Aynı tabloda iki satırın proton sayısı eşitse o iki tanecik aynı elemente aittir, yükleri ya da kütleleri farklı olsa bile.

Hangi sayı neyi belirler?

Bir atomun üç parçacık sayısı farklı şeylerden sorumludur ve bu ayrım, kimya sorularında en çok işe yarayan fikirlerden biridir.

• Proton sayısı elementi belirler. İki taneciğin proton sayısı aynıysa aynı elemente aittir; farklıysa farklı elementlerdir.
• Elektron sayısı yükü ve kimyasal davranışı belirler. Elektron sayısı proton sayısından farklıysa tanecik bir iyondur. Atomların bağ yapması, renk vermesi, tepkimeye girmesi elektronlarıyla ilgilidir.
• Nötron sayısı kütleyi değiştirir. Proton sayısı aynı kalıp nötron sayısı değişirse elementin kütlesi farklı bir atomu ortaya çıkar; bunlara izotop denir ve bir sonraki dersin konusudur.

Sorularda sayım sırası

Bir atom ya da iyon sorusunda önce gösterimden atom numarası ve kütle numarası okunur. Proton sayısı atom numarasına eşittir. Nötron sayısı kütle numarasından atom numarası çıkarılarak bulunur. Elektron sayısı proton sayısından yük çıkarılarak bulunur. Bilinmeyen bir tanecik verildiğinde aynı ilişkiler geriye doğru kullanılır: elektron sayısı ve yük biliniyorsa proton sayısı, proton ve nötron sayıları biliniyorsa kütle numarası hesaplanır. Son adımda bulunan proton sayısıyla elementin adı söylenebilir; KİM-O-L02'de öğrenilen ilk yirmi element listesi bu adımı hızlandırır.

Örnek 1 — Gösterimi okumak

Soru: ³²₁₆S atomunda kaç proton, kaç nötron ve kaç elektron vardır?

• A) 16 proton, 32 nötron, 16 elektron
• B) 32 proton, 16 nötron, 32 elektron
• C) 16 proton, 16 nötron, 18 elektron
• D) 16 proton, 16 nötron, 16 elektron
• E) 16 proton, 48 nötron, 16 elektron

Çözüm: Proton sayısı atom numarasıdır: 16. Nötron sayısı 32 − 16 = 16. Atom nötr olduğu için elektron sayısı da 16'dır. Cevap: D.

Örnek 2 — Anyon

Soru: ¹⁶₈O²⁻ iyonunda kaç elektron vardır?

• A) Altı
• B) On
• C) Sekiz
• D) On altı
• E) On sekiz

Çözüm: Elektron sayısı = 8 − (−2) = 10. Oksijen iki elektron almıştır. Cevap: B.

Örnek 3 — Bilinmeyen element

Soru: Kütle numarası 39 ve nötron sayısı 20 olan nötr bir atom hangi elementtir?

• A) Kalsiyum
• B) Argon
• C) Klor
• D) Sodyum
• E) Potasyum

Çözüm: Proton sayısı 39 − 20 = 19'dur. Atom numarası 19 olan element potasyumdur. Cevap: E.

Örnek 4 — Neyi değiştirir?

Soru: Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısı değişirse ne olur?

• A) Tanecik başka bir elementin atomuna dönüşür.
• B) Yalnız iyon yükü değişir.
• C) Aynı elementin izotopu oluşur.
• D) Tanecikte kalıcı bir değişiklik olmaz.
• E) Yalnız elektron sayısı değişir.

Çözüm: Proton sayısı elementin kimliğidir; değişirse element de değişir. Nötron sayısının değişmesi izotop, elektron sayısının değişmesi iyon oluşturur. Cevap: A.

• Kütle numarasını nötron sayısı sanmak. A, proton ve nötronların toplamıdır; nötron sayısı A − Z'dir.
• İyonda proton sayısını değiştirmek. İyonlaşmada yalnız elektron sayısı değişir.
• Eksi yüklü iyonda elektronu çıkarmak. Anyon elektron almıştır; elektron sayısı proton sayısından fazladır.
• Kütle numarasına elektronları katmak. Elektronun kütlesi ihmal edilir; A yalnız çekirdeği sayar.
• Elementin kimliğini nötron sayısında aramak. Element, proton sayısıyla belirlenir.