Dizilim ve periyodik sistem ilişkisi

Mert bir deneme sınavında ikinci periyot elementlerini birinci iyonlaşma enerjisine göre küçükten büyüğe dizen soruya geldi ve düşünmeden düz bir merdiven kurdu: Li < Be < B < C < N < O < F < Ne. TYT defterindeki not açıktı: periyotta soldan sağa artar. Cevap anahtarı ise borun berilyumdan, oksijenin de azottan önce geldiğini söylüyordu. Mert önce anahtarın yanlış basıldığına karar verdi. Sonra aynı notun altına bir yıl önce küçük harflerle eklediği satırı gördü: «Birkaç istisna var, nedeni AYT'de.» O neden, elementlerin elektron diziliminde saklıdır. Üstelik aynı satır yalnız bu iki düşüşü açıklamakla kalmaz; elementin tablodaki periyodunu, bloğunu ve grubunu da tek başına söyler.

• Temel hâl diziliminden periyodu, bloğu ve grubu hem A–B hem 1–18 numaralandırmasıyla bulursun.
• Son elektronun kuantum sayılarından ya da ardışık iyonlaşma enerjilerinden elementin tablodaki yerini çıkarırsın.
• Berilyum–bor ve azot–oksijen iyonlaşma enerjisi düşüşlerini alt katman dizilimiyle açıklarsın.
• Yarıçap, elektron ilgisi ve elektronegatiflik eğilimlerini değerlik kabuğunun n değeriyle ve çekirdek yüküyle gerekçelendirirsin.

TYT yönteminin bittiği yer

«Periyodik sistemde yer bulma» dersinde elektronları 2, 8, 8 kuralıyla katmanlara dağıtıp katman sayısından periyodu, son katmandaki elektron sayısından A grubunu okuduk. Yöntem atom numarası 20'de durur. ₂₁Sc için 2, 8, 8, 3 yazan öğrenci skandiyumu 3A grubuna koyar; oysa skandiyum alüminyumun altında değil, tablonun ortasındaki geçiş metallerinin ilk sütunundadır. Gerçek dağılım 2, 8, 9, 2'dir ve bunu ancak alt katmanlı dizilim gösterir. Bu derste tablodaki yeri, önceki derste kurduğumuz alt katmanlı dizilimden çıkaracağız.

Periyot: en büyük n

Periyodu, dizilimde elektron taşıyan kabukların en dıştakinin n değeri verir. Demirin dizilimi [Ar] 4s² 3d⁶'dır. Satırın sonunda 3d yazıyor diye demiri üçüncü periyoda koymak yaygın bir hatadır: demirde n = 4 kabuğunda elektron vardır, dolayısıyla demir 4. periyottadır. 3d alt katmanı dördüncü periyot boyunca dolan bir iç alt katmandır.

Her periyot bir ns alt katmanıyla açılır ve np⁶ ile kapanır; tek ayrıksı satır, 1s² ile biten birinci periyottur. Periyot uzunlukları da buradan gelir. 1. periyotta yalnız 1s vardır (2 element). 2. ve 3. periyotta s ve p dolar (8'er element). 4. ve 5. periyotlara on elemanlık birer d dizisi eklenir (18'er element). 6. ve 7. periyotlara bir de on dört elemanlık f dizisi girer (32'şer element).

Blok: son elektronun adresi

Aufbau sırasıyla en son elektronun yerleştiği alt katmanın türü elementin bloğunu belirler. Blokların genişliği, alt katmanın alabileceği elektron sayısına eşittir:

Helyum 1s² ile biter, yani dizilim bakımından s bloğuna benzer; tamamen dolu tek kabuğu yüzünden soy gazların sütununa, 8A grubuna yerleştirilir. Hidrojen ile helyum dışındaki s bloğu elementleri metaldir, d bloğunun bütün üyeleri de metaldir; p bloğunda ise metal, yarı metal, ametal ve soy gaz bir arada bulunur.

İki numaralandırma

Sütunların iki adlandırması birlikte kullanılır. Eski biçimde ana gruplar A, geçiş metalleri B harfi alır; IUPAC'ın önerdiği biçimde ise sütunlar soldan sağa 1'den 18'e kadar numaralanır. Bir soru hangisini kullanırsa kullansın öteki karşılığı bilinmelidir:

8B grubu üç sütunu birden kapsar. 1B ve 2B, 8B'den sonra gelir; 2A'nın hemen sağındaki sütun 3B'dir. Bu yüzden «3» sayısını görüp elementi alüminyumun grubuna koymak, en sık rastlanan çeldiricidir.

s ve p bloğunda grup

Ana grup elementlerinde grup, değerlik kabuğundaki (en büyük n) s ve p elektronlarının toplamıdır. Selenyum [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ diziliminde 4s² 4p⁴ altı elektron eder: 4. periyot, 6A. 1–18 numarasına geçmek için p bloğunda bu toplama 10 eklenir; selenyum 16. gruptadır. Eklenen 10, s ile p blokları arasına dördüncü periyottan itibaren giren on d sütunudur. Aynı nedenle dolu 3d¹⁰, selenyumun A grubu hesabına katılmaz. s bloğunda ise iki numara örtüşür: ₃₈Sr [Kr] 5s² dizilimiyle 5. periyot 2A, yani 2. gruptadır.

d bloğunda grup

Geçiş metallerinde grup, en dıştaki ns elektronlarıyla hemen altındaki (n−1)d elektronlarının toplamından bulunur. Bu toplam doğrudan 1–18 numarasını verir. Dördüncü periyodun on geçiş metali şöyle dizilir:

Krom ile bakırdaki istisna dizilimler grubu bozmaz: bir elektron 4s'den 3d'ye geçer, toplam aynı kalır. Kromda 1 + 5 = 6 eder, Aufbau'nun beklediği 2 + 4 ile aynı sayıdır. Kromu 4s¹'e bakıp 1A grubuna koymak ya da yalnız beş d elektronunu sayıp 5B'ye yerleştirmek tablonun izin vermediği iki yanlıştır. Bakırda 11 toplamı 8B'yi geçer ve 1B'ye düşer; çinkonun 12'si de 2B demektir. Çinko 4s² ile kalsiyuma benzese de son elektronu 3d'ye girdiği için d bloğundadır.

Lantanitlerde 4f, aktinitlerde 5f alt katmanı dolar. Bu iki dizi 6. ve 7. periyoda aittir; tablo çok genişlemesin diye ana gövdenin altında ayrı iki sıra hâlinde gösterilir.

Kuantum sayılarından elemente

«Kuantum sayıları» dersinde bir atomdaki her elektronun dört sayılık bir kimlikle tanımlandığını gördük. Son elektronun dörtlüsü verilirse element geriye doğru bulunur. Bunun için bir sözleşme gerekir; bu derste Hund kuralına uygun olarak eş enerjili orbitallere önce m_s = +½ değerli elektronların girdiği, eşleşen ikinci elektronun −½ aldığı kabul edilir. m_ℓ = 0 her p ve d takımında ortadaki orbitaldir; orbitallerin hangi uçtan doldurulduğu bu orbitalin sırasını değiştirmez.

Örneğin son elektron (3, 1, 0, −½) ise 3p alt katmanındadır. Ortadaki orbitale ilk elektron ikinci sırada, eşleşen elektron beşinci sırada girer; −½ spin beşinci elektronu gösterir. Dizilim 3p⁵ ile biter, element klordur: 3. periyot, 7A, 17. grup.

Ardışık iyonlaşma enerjileri ve grup

Bir atomdan elektronlar birer birer koparılırken gereken enerji her adımda artar; değerlik elektronları bitip sıra soy gaz çekirdeğindeki dolu kabuğa geldiğinde artış sıçramaya dönüşür. TYT'de bu sıçramadan değerlik elektron sayısını okumuştuk. Bu bilgiye elementin periyodu da eklenirse atom numarasına kadar inilebilir. Sıçrama ikinci ile üçüncü enerji arasındaysa ve 4. periyottaki bir ana grup elementinden söz ediliyorsa adres 4s² ile biten kalsiyumdur, Z = 20. Aynı ns² bitişini taşıyan çinko bu tarife uymaz, çünkü d bloğunda, 2B grubundadır. Sıçramadan grup okuma yöntemi s ve p bloklarında kullanılır; geçiş metallerinde ns ile (n−1)d enerjileri birbirine yakın olduğu için tek ve belirgin bir basamak aranmaz.

Eğilimlerin dizilimdeki nedeni

«Periyodik özellikler» dersinde eğilimleri katman sayısı ve çekirdek yüküyle açıklamıştık. Dizilim bu iki nedeni daha ince bir dille söyler.

Atom yarıçapı. Grupta aşağı inildikçe değerlik elektronları n değeri daha büyük bir kabuğa geçer ve çekirdekten uzaklaşır. Periyotta sağa gidilirken değerlik kabuğu aynı kalır, eklenen protonlar ise bu kabuğu içeri çeker. Geçiş metallerinde yarıçap periyot boyunca çok az değişir, çünkü yeni elektronlar dış kabuğa değil, alttaki (n−1)d'ye girer ve dış elektronları perdeler.

İyonlaşma enerjisi. Mert'in merdivenindeki iki basamak dizilimden gelir. Berilyumun koparılan elektronu tam dolu 2s² alt katmanındadır. Borunki ise 2p¹'dedir: 2p, 2s'den daha yüksek enerjilidir ve bu elektron 2s elektronlarınca kısmen perdelenir. Bu yüzden bordan elektron koparmak daha kolaydır ve Be > B olur. Azotta 2p³ yarı doludur; üç elektron üç ayrı orbitalde tek başına durur ve küresel simetrik bir düzen oluşturur. Oksijenin dördüncü p elektronu ise dolu bir orbitale girmek zorundadır; aynı orbitaldeki iki elektronun itmesi onu koparmayı kolaylaştırır ve N > O olur. Üçüncü periyotta aynı desen Mg > Al ve P > S olarak tekrarlanır. Böylece ikinci periyodun gerçek sırası Li < B < Be < C < O < N < F < Ne, üçüncününki Na < Al < Mg < Si < S < P < Cl < Ar olur.

Elektron ilgisi. Halojenler np⁵ dizilimindedir; tek bir elektron alıp np⁶'ya ulaşırken belirgin bir enerji açığa çıkarır. 2A elementleri (ns²) ve 8A elementleri (np⁶) dolu alt katmana sahip olduğu için gelen elektronu ancak bir üst alt katmana yerleştirebilir; elektron ilgileri çok küçüktür. 5A grubunda da yarı dolu np³ bozulacağı için elektron ilgisi komşularından küçük kalır: azotun elektron alırken açığa çıkardığı enerji karbonunkinden azdır.

Elektronegatiflik. Değerlik kabuğunun n değeri küçük ve çekirdek yükü büyük olan atom, bağdaki elektronları daha güçlü çeker. Flor bu iki koşulu birlikte sağlar: değerlik kabuğu n = 2'dir ve 2s² 2p⁵ dizilimiyle bu periyodun soy gaz dışındaki en yüksek çekirdek yükünü taşır.

Atomdan gaza

Bu derste tek tek atomların içine baktık: periyodu n'den, bloğu son alt katmandan, grubu değerlik elektronlarından okuduk. Tablonun en sağ sütunundaki helyum, neon ve argon, oda koşullarında tek atomlu gazlar olarak bulunur. Bir sonraki modülde atomun içinden çıkıp bu tür gaz taneciklerinin topluluğuna geçeceğiz: gazları sıvı ve katılardan ayıran özellikler ve sayısız taneciğin kabın çeperine çarpmasından doğan basıncın nasıl ölçüldüğü «Gazların özellikleri ve basınç» dersinin konusu.

Örnek 1 — 3A mı 3B mi?

Soru: ₃₁Ga elementinin periyodik tablodaki yeri için hangisi doğrudur?

• A) 4. periyot, d bloğu, 3B grubu
• B) 3. periyot, p bloğu, 3A grubu
• C) 4. periyot, p bloğu, 3A grubu (13. grup)
• D) 4. periyot, p bloğu, 1A grubu
• E) 4. periyot, s bloğu, 2A grubu

Çözüm: Otuz bir elektron Aufbau sırasıyla yerleşince dizilim [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p¹ olur. En büyük n değeri 4'tür, dolayısıyla galyum 4. periyottadır. Son elektron 4p'ye girmiştir: p bloğu. Değerlik kabuğunda 4s² ve 4p¹, toplam üç elektron vardır; grup 3A, yani 10 + 3 = 13. gruptur. A seçeneği «3» sayısını skandiyumun sütunuyla karıştırır. D seçeneği yalnız p elektronunu sayar. B seçeneği periyodu satırın ortasındaki 3d'den okur; oysa galyumun dördüncü kabuğunda üç elektron vardır. Cevap: C.

Örnek 2 — Bakırın adresi

Soru: Bakırın (Z = 29) doğru dizilimi ile periyot ve grubu hangi seçenekte birlikte yer alır?

• A) [Ar] 4s² 3d⁹; 4. periyot, 8B
• B) [Ar] 4s¹ 3d¹⁰; 4. periyot, 1A
• C) [Ar] 4s¹ 3d¹⁰; 4. periyot, 1B
• D) [Ar] 4s¹ 3d¹⁰; 3. periyot, 1B
• E) [Ar] 4s² 3d⁹; 4. periyot, 2B

Çözüm: Önceki derste gördüğümüz istisnayla bakırın dizilimi [Ar] 4s¹ 3d¹⁰'dur. En dıştaki kabuk n = 4'tür. ns ile (n−1)d toplamı 1 + 10 = 11 eder; 11. sütun A–B adlandırmasında 1B'dir. B seçeneği 4s¹'i gören ve elementi alkali metallerin yanına koyan öğrencinin cevabıdır. D seçeneği 3d'nin n değerini periyot sanır. Cevap: C.

Örnek 3 — Son elektronun dörtlüsü

Soru: Temel hâldeki bir atomun son elektronu için baş kuantum sayısı 3, açısal kuantum sayısı 2, manyetik kuantum sayısı 0 ve spin +½ olarak bildiriliyor. Eş enerjili orbitallere önce m_s = +½ değerli elektronların girdiğini kabul ediniz. Atom hangisidir?

• A) ₂₁Sc; 3B grubu
• B) ₂₃V; 5B grubu
• C) ₂₈Ni; 8B grubu
• D) ₁₄Si; 4A grubu
• E) ₂₅Mn; 7B grubu

Çözüm: n = 3 ve ℓ = 2, elektronun 3d alt katmanında olduğunu söyler. m_ℓ = 0 beş d orbitalinin ortadakidir; +½ değeriyle ilk dolaşta üçüncü sırada dolar. Son elektron 3d³'ün üçüncü elektronudur. Manganın son elektronu ise beşinci d orbitaline, kenardaki m_ℓ değerine girer. Dizilim [Ar] 4s² 3d³, element vanadyumdur: 4s² ile 3d³ toplamı 5, grup 5B. −½ spini düşünüp sekizinci d elektronuna giden öğrenci nikeli bulur. ℓ = 2'yi p alt katmanı sanan öğrenci 3p² ile biten silisyuma varır. Cevap: B.

Örnek 4 — Üçüncü periyotta sıralama

Soru: ₁₁Na, ₁₂Mg, ₁₃Al ve ₁₄Si atomlarının birinci iyonlaşma enerjileri için doğru sıralama hangisidir?

• A) Na < Mg < Al < Si
• B) Si < Al < Mg < Na
• C) Na < Mg < Si < Al
• D) Na < Al < Mg < Si
• E) Al < Na < Mg < Si

Çözüm: Genel eğilim sağa doğru artıştır, ama magnezyum ile alüminyum arasında bir düşüş vardır. Magnezyumun koparılacak elektronu dolu 3s² alt katmanındadır. Alüminyumunki 3p¹'dedir; daha yüksek enerjili bu elektron 3s elektronlarınca perdelenir ve daha kolay kopar. Silisyumda çekirdek yükü yeniden üstün gelir ve değer magnezyumunkini geçer. Sodyum ise tek 3s elektronuyla en kolay iyonlaşan atomdur. A seçeneği, Mert'in kurduğu düz merdivendir. Cevap: D.

• Periyodu son yazılan alt katmandan okumak. Demirin satırı 3d ile bitse de periyot en büyük n'dir, yani 4.
• 3A ile 3B'yi, 2A ile 2B'yi karıştırmak. Skandiyum ve çinko d bloğundadır; alüminyum ve kalsiyumla aynı sütunda değildir. 1–18 numarasına geçince fark açıkça görülür: 3 ile 13, 2 ile 12.
• Kromu ve bakırı 4s¹ yüzünden 1A'ya koymak. d bloğunda grup ns ile (n−1)d toplamıdır; krom 6B, bakır 1B'dir.
• p bloğunda dolu (n−1)d¹⁰'u değerlik elektronu saymak. Selenyumun değerlik elektronları 4s² 4p⁴'tür; on altı değil altıdır.
• İyonlaşma enerjisini periyotta kesintisiz artan sanmak. 2A'dan 3A'ya ve 5A'dan 6A'ya geçişte düşüş vardır: Be > B, N > O, Mg > Al, P > S.
• Kuantum sayısı sorusunda spini yok saymak. m_ℓ = 0 bir p takımında hem ikinci hem beşinci elektronu taşır; hangisi olduğunu m_s söyler.