Elektron dizilimi

Irmak bir deneme sınavında Fe³⁺ iyonunun eşleşmemiş elektron sayısını soran soruya geldi. Önce demir atomunu yazdı: ₂₆Fe için 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. Sonra kendi kendine düşündü: kâğıda en son 3d yazıldı, demek ki en son giren elektronlar onlar, iyon olurken de ilk onlar gider. Üç elektronu 3d'den sildi, [Ar] 4s² 3d³ buldu, üç eşleşmemiş elektron saydı ve işaretledi. Cevap anahtarı 5 diyordu. Irmak'ın hatası dikkatsizlik değildi; doldurma sırasını, elektronun atomdan ayrılma sırası sanmıştı. Bu derste dizilimi yazdıran üç kuralı, kuralların iki ünlü istisnasını ve iyon yazarken kâğıttaki sıranın neden yanıltıcı olduğunu göreceğiz.

• Aufbau ilkesi, Pauli dışlama ilkesi ve Hund kuralıyla Z = 1–36 arasındaki atomların temel hâl dizilimini yazarsın.
• Dizilimi soy gaz kısaltmasıyla ve orbital kutularıyla gösterip eşleşmemiş elektron sayısını bulursun.
• Krom ve bakırın istisna dizilimlerini küresel simetriyle açıklarsın.
• Anyon ve katyonların, özellikle geçiş metali katyonlarının dizilimini yazar, izoelektronik tanecikleri karşılaştırırsın.

Dizilim satırını okumak

Bir elektron dizilimi, atomdaki bütün elektronların hangi alt katmanlarda bulunduğunu kısa bir satırla kaydeder. 3p⁴ yazısındaki 3 baş kuantum sayısıdır, p alt katmanın türüdür, üst simgedeki 4 de o alt katmandaki elektron sayısıdır. Satırdaki üst simgelerin toplamı nötr atomda atom numarasına eşit olmalıdır; bu sağlama, sayım hatalarının çoğunu yakalar. TYT'deki katman dizilimi (2, 8, 6) bir özetti; buradaki satır aynı elektronları orbital düzeyinde ayrıntılandırır.

Orbitaller dersinde alt katmanların n + ℓ toplamına göre sıralandığını ve 4s'nin 3d'den önce dolduğunu gördük. Bu ders o sırayı hazır alıp kullanıyor. Z = 36'ya kadar yalnız sekiz alt katmana ihtiyaç vardır; yolun son üç durağı sırasıyla 4s, 3d ve 4p'dir. Kapasiteler de aynı derste kuruldu: s iki, p altı, d on elektronla dolar.

Aufbau ilkesi

Elektronlar temel hâlde önce en düşük enerjili boş yeri doldurur; bir alt katman dolmadan sonrakine geçilmez. Bu doldurma kuralına Aufbau ilkesi denir. Kükürdün 16 elektronunu yerleştirelim: 1s'ye 2, 2s'ye 2, 2p'ye 6, 3s'ye 2 elektron girer ve 12'ye ulaşılır; kalan 4 elektron 3p'ye yerleşir. Sonuç ₁₆S: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ olur. Potasyumda ise 19. elektron 3d'ye değil, enerjisi daha düşük olan 4s'ye gider: ₁₉K: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹. 3d ancak 4s dolduktan sonra, skandiyumdan itibaren dolmaya başlar. Demirin 26 elektronu da aynı yoldan ilerler: ilk 18 elektron argonunkiyle aynı yerleri tutar, sonraki ikisi 4s'yi doldurur, kalan altısı 3d'ye girer ve ₂₆Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ elde edilir.

Aufbau'ya uymayan ama elektron sayısı doğru olan bir dizilim yanlış değildir, uyarılmış hâli gösterir: atom enerji almış, bir elektronu daha üstteki bir orbitale çıkmıştır. Sorularda «temel hâl» ifadesi geçiyorsa Aufbau sırası bozulmamalıdır.

Pauli dışlama ilkesi

Kuantum sayıları dersinde Pauli dışlama ilkesini m_s değerleri üzerinden kurduk. Dizilim yazarken ilkenin işe yarayan yüzü şudur: bir kutuya ikinci ok ancak ilk okun ters yönünde girebilir, üçüncü bir ok ise hiç sığmaz. Kutu gösteriminde ↑↑ yazmak bu yüzden ilkeyi çiğner ve dolu bir kutu daima ↑↓ biçiminde görünür. p'nin üç, d'nin beş kutusu olduğundan altı ve on kapasiteleri de doğrudan bu iki ok sınırından çıkar.

Hund kuralı ve kutu gösterimi

Eş enerjili orbitallere elektronlar önce birer birer, aynı yönlü (paralel) spinle girer; her orbital bir elektron aldıktan sonra eşleşme başlar. Buna Hund kuralı denir. Elektronlar birbirini ittiği için ayrı orbitallere dağılmak daha düşük enerjili bir düzendir.

Kutu gösteriminde her orbital bir kutuyla, her elektron bir okla temsil edilir. Şekil çizmeden aşağıdaki tabloda boş kutu «boş» diye yazılmıştır:

Azotun üç p elektronunu ↑↓ · ↑ · boş biçiminde yazmak Hund kuralına aykırıdır; elektron sayısı doğru, dağılım yanlıştır. Tek başına duran oklar eşleşmemiş elektron (tek elektron) sayısını verir. Bu sayıyı bulmak için yalnız tam dolu olmayan alt katmanlara bakmak yeterlidir: d⁶ dizilimindeki altı elektronun beşi beş kutuya birer birer girer, altıncısı ilk kutuyla eşleşir; dört kutu tek oklu kalır.

Soy gaz kısaltması

Uzun satırları kısaltmak için dizilimin baştaki soy gaza kadar olan kısmı köşeli parantez içine alınır. Kükürt [Ne] 3s² 3p⁴, kalsiyum [Ar] 4s², arsenik [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p³ biçiminde yazılır. Köşeli parantezin içi tamamen dolu alt katmanlardan oluşur ve kimyasal davranışa katılmaz; dikkat parantezin dışındaki elektronlara verilir.

4. periyot elementlerinde 3d ile 4s'nin yazılış sırası iki biçimde görülür: doldurma sırasıyla [Ar] 4s² 3d⁶ ya da katman sırasıyla [Ar] 3d⁶ 4s². İkisi aynı elektron dağılımını anlatır. Kancadaki tuzak tam bu noktadadır: yazılış sırası, elektronların atomdan hangi sırayla ayrılacağını göstermez.

Küresel simetri ve iki istisna

Bir alt katman yarı dolu ya da tam dolu olduğunda elektron bulutu çekirdeğin çevresinde her yöne eşit dağılır; bu duruma küresel simetri denir. Küresel simetrik bitişler s¹, s², p³, p⁶, d⁵ ve d¹⁰'dur. Böyle dizilimler görece kararlıdır. TYT'deki periyodik özellikler dersinde azotun iyonlaşma enerjisinin oksijeninkinden büyük çıkması bir istisna olarak geçmişti; nedeni azotun yarı dolu 2p³ alt katmanıdır.

Krom ve bakır bu kararlılık yüzünden Aufbau'nun öngördüğü dizilimden ayrılır:

• ₂₄Cr: beklenen [Ar] 4s² 3d⁴, gerçek temel hâl [Ar] 4s¹ 3d⁵. Bir 4s elektronu 3d'ye geçer; 4s¹ ve 3d⁵ ikisi de yarı doludur. Eşleşmemiş elektron sayısı 6'dır.
• ₂₉Cu: beklenen [Ar] 4s² 3d⁹, gerçek temel hâl [Ar] 4s¹ 3d¹⁰. 3d tam dolar, 4s yarı dolu kalır. Eşleşmemiş elektron sayısı 1'dir.

Z = 1–36 aralığında temel hâl dizilimi Aufbau sırasından ayrılan yalnız bu iki elementtir. Mangan [Ar] 4s² 3d⁵ ve çinko [Ar] 4s² 3d¹⁰ zaten küresel simetrik bittiği için kurala uyar.

Değerlik elektronları

Kimyasal tepkimelere katılan elektronlara değerlik elektronları denir. Ana grup elementlerinde bunlar en büyük baş kuantum sayılı katmandaki s ve p elektronlarıdır. Kükürdün değerlik elektronları 3s² 3p⁴'teki 6 elektrondur. Bromda ([Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵) 3d¹⁰ elektronları sayılmaz, çünkü bu elektronlar bir iç katmana aittir ve tamamen dolu bir alt katmanda durur; bromun değerlik elektron sayısı 4s² 4p⁵'ten 7'dir. Geçiş metallerinde ise 4s elektronlarına ek olarak 3d elektronları da bağ oluşumuna katılabilir.

İyonların dizilimi

Anyon oluşurken alınan elektronlar, Aufbau sırasında boş kalan ilk yerlere eklenir. Kükürt iki elektron alınca 3p⁴ alt katmanı 3p⁶ olur: S²⁻ = 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶, yani [Ar] dizilimi.

Katyon oluşurken elektronlar baş kuantum sayısı en büyük olan katmandan, yani çekirdeğe en uzak elektronlardan ayrılır. Ana grup metallerinde bu kural doldurma sırasının tersiyle örtüşür: Mg²⁺ iki 3s elektronunu kaybeder ve [Ne] olur. Geçiş metallerinde ise iki sıra ayrılır. 3d dolmaya başladıktan sonra 4s elektronları en dıştaki elektronlardır; iyonlaşmada önce onlar gider:

• Fe²⁺ = [Ar] 3d⁶ (dört eşleşmemiş elektron)
• Fe³⁺ = [Ar] 3d⁵ (beş eşleşmemiş elektron)

Irmak'ın bulduğu [Ar] 4s² 3d³, bu sıranın tersten uygulanmış hâlidir. Fe³⁺ iyonunun 3d⁵ dizilimi küresel simetriktir; Fe²⁺ iyonunun havadaki oksijenle Fe³⁺ iyonuna kolayca yükseltgenmesi, bu simetrinin getirdiği kararlılıkla açıklanır. Tersine soru geldiğinde, yani iyonun diziliminden atoma dönülürken, verilen elektronlar önce 4s'ye geri konur ve krom ile bakırın istisnası yeniden denetlenir.

İzoelektronik tanecikler

TYT'de izotop, izoton, izobar ve izoelektronik dersinde elektron sayısı aynı olan taneciklere izoelektronik dendiğini gördük. Dizilim bilgisiyle tanım bir adım ileri taşınabilir: birçok kaynak, elektron sayısıyla birlikte elektron diziliminin de aynı olmasını arar. Ana grup iyonlarında bu iki koşul birlikte sağlanır: ₁₆S²⁻, ₁₇Cl⁻, ₁₈Ar, ₁₉K⁺ ve ₂₀Ca²⁺ hepsi 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ dizilimine sahiptir. Geçiş metallerinde ise sayı tuttuğu hâlde dizilim tutmayabilir. ₂₄Cr atomu ve ₂₆Fe²⁺ iyonu 24'er elektron taşır; kromunki [Ar] 4s¹ 3d⁵, demir iyonununki [Ar] 3d⁶'dır ve eşleşmemiş elektron sayıları 6 ile 4'tür.

Dizilimden periyodik tabloya

Bir elementin dizilimi yazıldığında son elektronun girdiği alt katman ile en büyük baş kuantum sayısı ortaya çıkmış olur. Bu iki bilgi, elementin periyodik tablodaki adresini taşır: hangi periyotta durduğu, A grubunda mı B grubunda mı yer aldığı, s, p ya da d bloğuna mı ait olduğu. Sonraki ders, dizilim ve periyodik sistem ilişkisini kurarak bu adresi satırın kendisinden okumayı gösterecek.

Örnek 1 — Kükürdün kutuları

Soru: ₁₆S atomunun temel hâlinde eşleşmemiş elektron sayısı kaçtır?

• A) tek elektron = 4
• B) tek elektron = 2
• C) tek elektron = 6
• D) tek elektron = 0
• E) tek elektron = 16

Çözüm: Dizilim 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴'tür. İç alt katmanların hepsi doludur. 3p'nin üç kutusuna Hund kuralıyla önce üç elektron birer birer girer, dördüncüsü ilk kutuyla eşleşir: ↑↓ · ↑ · ↑. İki kutu tek oklu kalır. 4 diyen öğrenci 3p'deki bütün elektronları, 6 diyen değerlik elektronlarını saymıştır. Cevap: B.

Örnek 2 — Kromun istisnası

Soru: ₂₄Cr atomunun temel hâl dizilimi ve eşleşmemiş elektron sayısı için hangisi doğrudur?

• A) [Ar] 4s² 3d⁴; 4
• B) [Ar] 3d⁶; 4
• C) [Ar] 4s¹ 3d⁵; 6
• D) [Ar] 4s² 3d⁴; 6
• E) [Ar] 4s¹ 3d⁵; 5

Çözüm: Aufbau sırasıyla [Ar] 4s² 3d⁴ beklenir, ancak bir 4s elektronunun 3d'ye geçmesiyle iki yarı dolu alt katman oluşur: 4s¹ ve 3d⁵. Altı elektronun her biri ayrı bir orbitalde tek başınadır. E seçeneği 4s'deki elektronu saymayı unutmuştur. Cevap: C.

Örnek 3 — Fe³⁺ iyonu

Soru: ₂₆Fe³⁺ iyonunun dizilimi hangisidir?

• A) [Ar] 4s² 3d³
• B) [Ar] 4s¹ 3d⁴
• C) [Ar] 4s² 3d⁶
• D) [Ar] 3d⁵
• E) [Ar] 3d⁶

Çözüm: Atom [Ar] 4s² 3d⁶'dır. Katyon oluşurken önce baş kuantum sayısı büyük olan 4s'deki iki elektron, ardından bir 3d elektronu ayrılır. Kalan [Ar] 3d⁵, beş eşleşmemiş elektronlu yarı dolu bir alt katmandır. A seçeneği elektronları 3d'den çıkarmıştır; E ise Fe²⁺ iyonunun dizilimidir. Cevap: D.

Örnek 4 — İyondan atoma

Soru: X²⁺ iyonunun dizilimi [Ar] 3d⁸'dir. X atomunun temel hâl dizilimi hangisidir?

• A) [Ar] 4s² 3d⁸
• B) [Ar] 3d¹⁰
• C) [Ar] 4s² 3d⁶
• D) [Ar] 4s¹ 3d⁹
• E) [Ar] 4s² 3d¹⁰

Çözüm: İyonda 18 + 8 = 26 elektron vardır; atom iki elektron daha taşır, toplam 28 elektron eder ve X nikeldir. Katyon oluşurken ayrılan elektronlar 4s'den çıktığına göre geri 4s'ye konur: [Ar] 4s² 3d⁸. Nikel istisna listesinde yoktur. İki elektronu 3d'ye eklemek B seçeneğini, iki elektron çıkarmak C seçeneğini verir. Cevap: A.

• Yazılış sırasını ayrılış sırası sanmak. Geçiş metali katyonlarında elektronlar önce 4s'den gider; Fe³⁺ = [Ar] 3d⁵, [Ar] 4s² 3d³ değildir.
• Krom ve bakırı Aufbau'ya göre yazmak. Cr = [Ar] 4s¹ 3d⁵, Cu = [Ar] 4s¹ 3d¹⁰; eşleşmemiş elektron sayıları 6 ve 1'dir.
• Hund kuralını atlayıp kutuları soldan doldurmak. p³ dizilimi ↑ · ↑ · ↑ biçimindedir; ↑↓ · ↑ · boş yazılınca eşleşmemiş elektron sayısı eksik çıkar.
• Değerlik elektronlarına dolu 3d'yi katmak. Brom gibi bir ana grup elementinde 3d¹⁰ değerlik elektronu sayılmaz; değerlik sayısı 17 değil 7'dir.
• Elektron sayısı aynı diye dizilimi de aynı sanmak. ₂₄Cr ile ₂₆Fe²⁺ 24'er elektron taşır ama dizilimleri farklıdır.