Periyodik sistemin gelişimi

Bir kütüphaneye binlerce kitap rastgele yığılmış olsaydı, aradığınızı bulmak için hepsini tek tek açmanız gerekirdi. Kitapları konularına göre raflara dizen bir sistem kurulunca ise bir kitabın yerini bilmek, yanındaki kitaplar hakkında da bir şey söyler. On dokuzuncu yüzyılın kimyacıları benzer bir sorunla karşı karşıyaydı: her yıl yeni elementler bulunuyor, her birinin özellikleri ayrı ayrı ezberleniyordu. Elementleri anlamlı bir düzene sokmanın yolu aranırken birkaç deneme yapıldı; bazıları kısmen başarılı oldu, biri ise henüz bulunmamış elementlerin özelliklerini önceden söyleyecek kadar güçlü çıktı. Bu ders, bugün her kimya sınıfının duvarında asılı duran periyodik tablonun nasıl ortaya çıktığını, hangi sorunlarla karşılaştığını ve bu sorunların nasıl çözüldüğünü anlatıyor.

• Döbereiner, Newlands, Mendeleyev ve Moseley'in periyodik sistemin gelişimine katkılarını sırayla açıklarsın.
• Mendeleyev tablosunun güçlü yanlarını ve atom kütlesine göre sıralamanın yarattığı sorunları söylersin.
• Modern periyodik yasayı ve sıralama ölçütünün neden atom numarası olduğunu açıklarsın.
• Modern periyodik tablonun periyot, grup ve blok düzenini tanırsın.

Düzen arayışı

On dokuzuncu yüzyılın başında bilinen element sayısı hızla artıyordu ve kimyacılar bu elementler arasında bir düzen olup olmadığını merak ediyordu. Bazı elementlerin birbirine çok benzediği açıktı: lityum, sodyum ve potasyum yumuşak, parlak ve suyla şiddetli tepkime veren metallerdi; klor, brom ve iyot ise renkli ve tepkimeye yatkın ametallerdi. Soru, bu benzerliklerin bir kurala bağlanıp bağlanamayacağıydı. İlk denemeler, elementlerin o dönemde ölçülebilen tek sayısal özelliğine, yani atom kütlesine dayanıyordu.

Döbereiner'in üçlüleri

Johann Döbereiner, benzer özellikteki elementlerin üçerli gruplar oluşturduğunu fark etti. Bir üçlüde elementler atom kütlelerine göre sıralandığında, ortadaki elementin atom kütlesi yaklaşık olarak öteki ikisinin ortalamasına eşitti. Lityum, sodyum ve potasyum; kalsiyum, stronsiyum ve baryum; klor, brom ve iyot böyle üçlülerdir. Örneğin lityumun atom kütlesi yaklaşık 7, potasyumunki 39'dur; ortalamaları 23 eder ve sodyumun atom kütlesi de yaklaşık 23'tür. Ancak bütün elementler üçlülere yerleştirilemedi; yöntem birkaç küçük grupla sınırlı kaldı.

Newlands'in oktavları

John Newlands, o gün bilinen elementleri artan atom kütlesine göre sıraya dizdiğinde, her sekizinci elementin birinciye benzediğini gördü ve bunu müzikteki sekizli dizilere benzetti. Bu düzenlemeye oktavlar kanunu denir. Yöntem hafif elementlerde oldukça iyi işledi, ama kalsiyumdan sonra benzerlik bozuldu ve birbirine hiç benzemeyen elementler aynı sıraya düştü. Yine de Newlands, element özelliklerinin belirli aralıklarla tekrar ettiği, yani periyodik olduğu fikrini dile getirmişti.

Mendeleyev'in tablosu

1869'da Dmitri Mendeleyev, elementleri artan atom kütlesine göre dizen ve benzer özellikteki elementleri aynı sütuna yerleştiren bir tablo yayımladı. Mendeleyev'in tablosunu öncekilerden ayıran iki cesur karar vardı.

Birincisi, Mendeleyev tabloda boş yerler bıraktı. Bir elementin özellikleri, kütle sırasına göre düşeceği sütundaki elementlere uymuyorsa, onu bir sonraki uygun sütuna kaydırdı ve aradaki yeri henüz bulunmamış bir element için ayırdı. Bu boşluklardaki elementlerin atom kütlelerini ve özelliklerini komşularından yola çıkarak önceden tahmin etti. "Eka-silisyum" adını verdiği elementin özellikleri, yıllar sonra bulunan germanyumla büyük ölçüde örtüştü; "eka-alüminyum" diye öngördüğü yer de galyumla doldu. Bu öngörülerin doğrulanması, tablonun yalnız bir sınıflandırma değil, doğanın bir düzenini yansıttığını gösterdi.

İkincisi, Mendeleyev bazı yerlerde kütle sırasını bozmayı göze aldı. Tellürün atom kütlesi iyottan biraz büyüktür; kütle sırasına uyulsa iyot, tellürün sütununa düşerdi. Oysa iyot klor ve bromla, tellür ise kükürt ve selenyumla benzer davranır. Mendeleyev tellürü iyottan önce yerleştirdi ve özellikleri kütleden üstün tuttu. Bu karar doğruydu, ama nedenini kendisi açıklayamadı.

Moseley ve atom numarası

Sorunun çözümü 1913'te Henry Moseley'den geldi. Moseley, elementlerin yaydığı X-ışınlarını inceleyerek her elementin çekirdeğindeki artı yükü, yani bugün atom numarası dediğimiz proton sayısını belirledi. Elementler atom kütlesine değil atom numarasına göre sıralandığında Mendeleyev'in yer değiştirdiği çiftler kendiliğinden doğru yere oturdu: tellürün atom numarası 52, iyotunki 53'tür. Argon ile potasyum, kobalt ile nikel çiftlerinde de aynı durum görülür; argonun atom kütlesi potasyumunkinden büyük olduğu hâlde atom numarası küçüktür ve ondan önce gelir.

Böylece modern periyodik yasa ortaya kondu: elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, atom numaralarının periyodik bir fonksiyonudur. Bir başka deyişle, elementler artan atom numarasına göre sıralandığında benzer özellikler düzenli aralıklarla tekrar eder.

Kütle neden yetmedi?

Atom kütlesinin her zaman doğru sırayı vermemesinin nedeni, bir önceki derste gördüğümüz izotop karışımıdır. Bir elementin atom kütlesi, izotoplarının doğadaki oranlarına göre alınmış bir ortalamadır. Tellürün doğal örneğinde ağır izotoplar bol bulunduğu için ortalama kütlesi büyüktür; iyotun ise doğada tek bir kararlı izotopu vardır. Böylece proton sayısı daha küçük olan tellür, ortalamada iyottan ağır çıkar. Proton sayısı ise izotoptan izotopa değişmez ve elementin kimliğini taşır. Bu yüzden sıralama için güvenilir ölçüt kütle değil, atom numarasıdır.

Modern periyodik tablo

Bugünkü periyodik tabloda bilinen 118 element artan atom numarasına göre dizilmiştir. Yatay sıralara periyot, düşey sütunlara grup denir. Tabloda 7 periyot ve 18 grup vardır. Gruplar 1'den 18'e kadar numaralanır; Türkiye'deki ders kitaplarında ayrıca 1A–8A ana grupları ve B grupları gösterimi de kullanılır. Aynı gruptaki elementler benzer kimyasal özellikler gösterir. Tablonun altında ayrı iki sıra hâlinde yazılan lantanitler ve aktinitler, tablonun aşırı genişlememesi için dışarı alınmıştır; aslında altıncı ve yedinci periyotların parçasıdır.

Tabloda metaller solda ve ortada, ametaller sağ üstte, yarı metaller ise ikisi arasındaki basamaklı çizginin çevresinde bulunur; soy gazlar en sağdaki sütundadır. Bir elementin tablodaki yerini atom numarasından bulmak ve bu yerden özellikleri hakkında çıkarım yapmak sonraki iki dersin konusudur.

Bir modelin gelişimi

Periyodik sistemin öyküsü, atom modellerinin öyküsüne benzer. Her deneme o güne kadarki bilgiyi düzenledi, açıklayamadığı bir durumla karşılaşınca yerini daha kapsamlı bir düzene bıraktı. Döbereiner küçük grupları, Newlands tekrar eden düzeni, Mendeleyev öngörü gücünü, Moseley ise doğru sıralama ölçütünü ekledi.

Örnek 1 — Üçlü hesabı

Soru: Kalsiyumun atom kütlesi yaklaşık 40, baryumunki yaklaşık 137'dir. Döbereiner'in üçlü kuralına göre aralarındaki stronsiyumun atom kütlesi yaklaşık kaç olmalıdır?

• A) Yaklaşık 177
• B) Yaklaşık 97
• C) Yaklaşık 40
• D) Yaklaşık 137
• E) Yaklaşık 88

Çözüm: Ortadaki elementin kütlesi öteki ikisinin ortalamasıdır: (40 + 137) / 2 ≈ 88,5. Stronsiyumun gerçek atom kütlesi de yaklaşık 88'dir. Cevap: E.

Örnek 2 — Mendeleyev'in öngörüsü

Soru: Mendeleyev'in tablosunda boş yerler bırakmasının bilim açısından önemi nedir?

• A) Tabloyu kısaltmıştır.
• B) Henüz bulunmamış elementlerin varlığını ve özelliklerini öngörmüş, bu öngörüler sonradan doğrulanmıştır.
• C) Elementleri alfabetik sıraya koymuştur.
• D) Atom numarasını bulmuştur.
• E) Soy gazları tablodan çıkarmıştır.

Çözüm: Eka-silisyumun germanyum olarak bulunması gibi doğrulanan öngörüler, tablonun doğal bir düzeni yansıttığını gösterdi. Cevap: B.

Örnek 3 — Moseley

Soru: Tellürün atom kütlesi iyottan büyük olduğu hâlde modern tabloda iyottan önce gelmesinin nedeni nedir?

• A) Tellür bir metaldir.
• B) İyot bir soy gazdır.
• C) Tellürün atom numarası iyotunkinden küçüktür.
• D) Tablo alfabetik sıralanmıştır.
• E) Tellür daha önce bulunmuştur.

Çözüm: Modern tablo atom numarasına göre sıralanır; tellür 52, iyot 53 numaralıdır. Cevap: C.

Örnek 4 — Modern tablo

Soru: Modern periyodik tablo için hangisi doğrudur?

• A) Elementler artan atom kütlesine göre dizilmiştir.
• B) 18 periyot ve 7 grup vardır.
• C) Aynı periyottaki elementler benzer kimyasal özellik gösterir.
• D) Elementler artan atom numarasına göre dizilmiştir; 7 periyot ve 18 grup vardır.
• E) Lantanitler tabloya dahil değildir.

Çözüm: Sıralama ölçütü atom numarasıdır; yatay sıralar periyot, düşey sütunlar gruptur ve benzer özellikler aynı grupta görülür. Cevap: D.

• Mendeleyev'in tablosunu atom numarasına göre sanmak. Mendeleyev atom kütlesini kullandı; atom numarası ölçütü Moseley'den sonra geldi.
• Periyot ile grubu karıştırmak. Yatay sıra periyot, düşey sütun gruptur; benzer özellikler grupta görülür.
• Mendeleyev'in boşluklarını eksiklik saymak. Boşluklar, sonradan doğrulanan öngörülerdi.
• Kütle sırası ile atom numarası sırasının her yerde aynı olduğunu sanmak. Te–I, Ar–K, Co–Ni çiftlerinde ikisi ayrılır.
• Lantanit ve aktinitleri tablonun dışında saymak. Yalnız yer kazanmak için alta yazılırlar.