Periyodik özellikler

Sodyum metalini bir kaba suya atın; hızla koşturur, cızırdar ve hidrojen gazı çıkarır. Aynı deneyi potasyumla yapın; tepkime öyle şiddetlidir ki çıkan gaz tutuşabilir. Sodyum ile potasyum aynı gruptadır, ikisi de son katmanlarında tek bir elektron taşır ve bu elektronu kolayca verir. Ama potasyum onu daha da kolay verir. Neden? Çünkü potasyumun bir katmanı daha fazladır ve o son elektron çekirdekten daha uzaktadır. Periyodik tablonun gücü burada ortaya çıkar: bir elementin tablodaki yeri, yalnız hangi grupta olduğunu değil, büyüklüğünü, elektron verme ve alma isteğini, bağlarda elektronları ne kadar çektiğini de söyler. Bu özelliklerin tablo boyunca düzenli biçimde değişmesine periyodik özellikler denir. Bu ders onları ezberlenecek oklar olarak değil, iki basit nedenden çıkan sonuçlar olarak ele alıyor.

• Atom yarıçapı, iyonlaşma enerjisi, elektron ilgisi ve elektronegatifliği tanımlarsın.
• Bu özelliklerin periyotta ve grupta nasıl değiştiğini katman sayısı ve çekirdek yüküyle açıklarsın.
• Atom ile iyonunun ve izoelektronik taneciklerin yarıçaplarını karşılaştırırsın.
• Ardışık iyonlaşma enerjilerindeki büyük sıçramadan bir elementin değerlik elektron sayısını bulursun.

İki neden

Periyodik özelliklerin hepsi iki etkinin yarışından doğar. Birincisi katman sayısıdır: grupta aşağı inildikçe her periyotta bir katman eklenir, en dıştaki elektronlar çekirdekten uzaklaşır ve iç katmanlardaki elektronlar onları çekirdeğin çekiminden kısmen perdeler. İkincisi çekirdek yüküdür: periyotta soldan sağa gidildikçe katman sayısı aynı kalırken çekirdekteki proton sayısı birer birer artar ve aynı katmandaki elektronlar daha güçlü çekilir. Bu iki etki akılda tutulursa bütün eğilimler oradan çıkarılabilir. Bir özelliğin yönünü unuttuğunda oku hatırlamaya çalışmak yerine bu iki nedenden hangisinin işlediğini sormak yeterlidir.

Atom yarıçapı

Atom yarıçapı, atomun büyüklüğünün bir ölçüsüdür.

• Grupta yukarıdan aşağı artar, çünkü katman sayısı artar. Lityum, sodyum ve potasyum arasında en büyük atom potasyumdur.
• Periyotta soldan sağa genellikle azalır, çünkü katman sayısı aynı kalırken artan çekirdek yükü elektronları içeri çeker. Üçüncü periyotta en büyük atom sodyum, en küçükleri klor tarafındadır.

İyon yarıçapı

Bir atom elektron verince katyona dönüşür ve küçülür: son katmanını tamamen kaybedebilir, kalan elektronlar aynı çekirdek yüküyle daha güçlü çekilir. Bu yüzden Na⁺ iyonu Na atomundan küçüktür. Elektron alınca anyona dönüşür ve büyür: aynı çekirdek yükü daha fazla elektronu çeker, elektronlar birbirini iter. Bu yüzden Cl⁻ iyonu Cl atomundan büyüktür.

İzoelektronik taneciklerde, yani elektron sayısı aynı olanlarda, büyüklüğü yalnız çekirdek yükü belirler: proton sayısı arttıkça aynı sayıdaki elektron daha güçlü çekilir ve tanecik küçülür. On elektronlu O²⁻, F⁻, Na⁺ ve Mg²⁺ taneciklerinde sıralama O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ biçimindedir.

İyonlaşma enerjisi

Gaz hâlinde, yüksüz bir atomun en gevşek bağlı elektronunu söküp almak için verilmesi gereken enerjiye birinci iyonlaşma enerjisi denir. Elektron ne kadar sıkı tutuluyorsa onu koparmak o kadar çok enerji ister.

• Grupta yukarıdan aşağı azalır: dış elektron çekirdekten uzaklaştıkça daha kolay koparılır. Kancadaki potasyumun sodyumdan daha kolay tepkimeye girmesi bunun sonucudur.
• Periyotta soldan sağa genel olarak artar: artan çekirdek yükü elektronları daha sıkı tutar. Her periyotta en yüksek değer soy gazdadır, en düşüğü alkali metaldedir.

Bu eğilimin birkaç küçük istisnası vardır; örneğin ikinci periyotta berilyumun iyonlaşma enerjisi bordan, azotunki oksijenden biraz büyüktür. Bu istisnaların nedeni orbitallerle açıklanır ve AYT'nin konusudur.

Ardışık iyonlaşma enerjileri

Bir atomdan elektronlar birer birer koparıldıkça her seferinde daha fazla enerji gerekir, çünkü kalan elektronlar artı yüklenmiş taneciğe daha sıkı bağlıdır. Değerlik elektronları bittiğinde ve sıradaki elektron dolu bir iç katmandan koparılmak zorunda kalındığında enerji birden çok büyür. Bu büyük sıçrama, değerlik elektron sayısını gösterir. Magnezyumun ilk üç iyonlaşma enerjisi yaklaşık 738, 1451 ve 7733 kJ/mol'dür; ikinciden üçüncüye büyük bir sıçrama vardır. Demek ki magnezyumun iki değerlik elektronu vardır ve 2A grubundadır.

Elektron ilgisi

Gaz hâlindeki nötr bir atomun bir elektron aldığında açığa çıkardığı enerjiye elektron ilgisi denir. Elektron almaya istekli atomlar bu sırada daha çok enerji açığa çıkarır. Elektron ilgisi genel olarak periyotta sağa doğru artar ve halojenlerde en büyük değerlerine ulaşır; soy gazlar elektron almaya isteksizdir. Grupta aşağı doğru genellikle azalır, ama bu eğilimin istisnaları vardır: en büyük elektron ilgisi florda değil, klordadır.

Elektronegatiflik

Bir atomun, kimyasal bağdaki ortak elektronları kendine doğru çekme yeteneğine elektronegatiflik denir. Elektronegatiflik bir enerji değil, karşılaştırmalı bir ölçektir. Periyotta sağa doğru artar, grupta aşağı doğru azalır. Elektronegatifliği en büyük element flordur; ardından oksijen gelir. Soy gazlar genellikle bağ yapmadığı için çoğu çizelgede onlara değer verilmez. Elektronegatiflik, bir sonraki modülde bağın türünü ve kutupluluğunu belirlemek için kullanılacaktır.

Metalik ve ametalik özellik

Metalik özellik, elektron verme kolaylığıyla ilgilidir. Grupta aşağı doğru artar, periyotta sağa doğru azalır. Ametalik özellik ise tersine değişir. Bütün eğilimler tek bir resimde toplanabilir: tablonun sol alt köşesine doğru atomlar büyür, elektron vermeleri kolaylaşır ve metalik özellik artar; sağ üst köşesine doğru atomlar küçülür, iyonlaşma enerjisi ve elektronegatiflik büyür, ametalik özellik artar.

Eğilimlerle soru çözmek

Bir periyodik özellik sorusunda ilk iş, karşılaştırılan elementlerin tablodaki yerini bulmaktır; bir önceki dersin katman yöntemi burada kullanılır. Sonra iki durumdan hangisinin geçerli olduğuna bakılır. Elementler aynı gruptaysa belirleyici olan katman sayısıdır: aşağıdaki element daha büyüktür, elektronunu daha kolay verir, elektronegatifliği daha küçüktür. Elementler aynı periyottaysa belirleyici olan çekirdek yüküdür: sağdaki element daha küçüktür, elektronunu daha zor verir, elektronegatifliği daha büyüktür. Elementler ne aynı grupta ne aynı periyottaysa, biri ötekinin hem sağında hem üstünde olduğu sürece sonuç yine açıktır: sağ üstteki her bakımdan daha ametaliktir. Örneğin ₈O ile ₁₉K karşılaştırılırsa oksijen hem daha sağda hem daha yukarıdadır; yarıçapı daha küçük, iyonlaşma enerjisi ve elektronegatifliği daha büyüktür. Biri sağ altta, öteki sol üstteyse eğilimler ters yönlere çeker ve sorular genellikle bu durumda değerler verir; o zaman karar verilen değerlere bakılarak yapılır.

Örnek 1 — Grupta yarıçap

Soru: ₃Li, ₁₁Na ve ₁₉K atomlarının yarıçapları için doğru sıralama hangisidir?

• A) Li > Na > K
• B) Na > K > Li
• C) Hepsi eşittir
• D) Li > K > Na
• E) K > Na > Li

Çözüm: Üçü de 1A grubundadır; aşağı inildikçe katman sayısı arttığı için yarıçap büyür. Cevap: E.

Örnek 2 — Periyotta iyonlaşma

Soru: Üçüncü periyottaki Na, Mg, Si ve Cl atomlarından birinci iyonlaşma enerjisi en büyük olan hangisidir?

• A) Cl
• B) Na
• C) Mg
• D) Si
• E) Hepsi eşittir

Çözüm: Periyotta sağa doğru çekirdek yükü artar ve elektronlar daha sıkı tutulur; verilenler arasında en sağdaki klordur. Cevap: A.

Örnek 3 — İyon ve atom

Soru: Mg atomu ile Mg²⁺ iyonunun yarıçapları için hangisi doğrudur?

• A) Eşittir.
• B) Mg²⁺ daha büyüktür.
• C) Karşılaştırılamaz.
• D) Mg²⁺ daha küçüktür.
• E) Mg²⁺ iki kat büyüktür.

Çözüm: Magnezyum iki elektron verip son katmanını kaybeder; kalan elektronlar aynı çekirdek tarafından daha güçlü çekilir. Cevap: D.

Örnek 4 — Sıçramadan grup

Soru: Bir elementin ilk dört iyonlaşma enerjisi yaklaşık 578, 1817, 2745 ve 11577 kJ/mol'dür. Bu element hangi gruptadır?

• A) 1A
• B) 2A
• C) 3A
• D) 4A
• E) 7A

Çözüm: Üçüncüden dördüncüye büyük sıçrama vardır; ilk üç elektron değerlik elektronudur. Element 3A grubundadır; bu değerler alüminyuma aittir. Cevap: C.

• Periyotta sağa doğru yarıçapın arttığını sanmak. Katman aynı, çekirdek yükü artar; yarıçap genellikle azalır.
• Katyonu atomundan büyük sanmak. Katyon küçülür, anyon büyür.
• İzoelektronik taneciklerde yarıçapı elektron sayısıyla açıklamak. Elektron sayısı eşittir; belirleyici olan proton sayısıdır.
• Elektronegatifliği bir enerji sanmak. Elektronegatiflik bağdaki elektronları çekme yeteneğinin karşılaştırmalı ölçüsüdür.
• Eğilimleri istisnasız kural saymak. İyonlaşma enerjisi ve elektron ilgisinde küçük istisnalar vardır.