Kimya Üzerine Notlarım (Güncellenecektir)

Simya (cılık) Nedir?

Tarih boyunca günlük olsun/yaşam boyunca olsun,insanlar bazı gereksinimlere ihtiyaç duymuşlardır.Bu gereksinimlerini doğadan bazı yöntemlerle elde etmişlerdir. (bu yöntem ise deneme-yanılma yöntemidir)Bu deneme-yanılma yöntemi teorik anlamda bir birikim olmasa da genel anlamda günlük ihtiyaçları karşılama yönünden büyük yarar sağlamıştır.Yine bu fikir doğada bazı şeylerin değişebiliceği düşüncesini de doğurmuştur.(Değersiz madenlerin değerli madenlere dönüşmesi gibi,kimya terminolojisin de buna trans-mutasyon denir,bugün bir geçerliliği yoktur bazıları iddaa etsede neyse).İşte bu fikir bir simyacıdan (alşimist) çıkmıştır ve bu sözde/bilim simyadır (alşimi).Bu uğraş temel anlamda bir değişim (kararlı çekirdeklerin yapısının bozunup başka elementlere dönüşmesi düşüncesi) oluşturmasa da bir çok maddenin,kullanılan aletin başlangıcı olmuştur.(örneğin imbik bu dönemde bulunmuştur Ekli dosyayı görüntüle 1141 ) Bu düşüncenin altında yatan neden çoğunlukla ölümsüzlük/zengin olma ve hastalıkları iyileştirme düşüncesidir.Yine bu dönemde deneme-yanılma yöntemiyle simyacıları bir çok asit/baz ve tuz bulmuştur.(Bunlar:H2SO4-Sülfürik Asit,HNO3-Nitrik Asit,NACI-Sodyum Klorür/Yemek Tuzu,KOH-Potasyum Hidroksit,CuSO4.5H2O-Bakır Sülfat Penta Hidrat gibi.) Bunun yanında cam,seramik ve barutta (Formulünüde vereyim Kükürt,KNO3 ve Kömür Tozunda oluşur,nitro grubu eklenirse patlayıcı etki yapar.) bu dönemde bulunmuştur.Simyanın en önemli çıkış noktası,kimyaya geçişte önemli bir basamak oluşturması ve bu basamağa kendini 18.YY’da kimya bilimine geçişte var etmesi.
(Bir alt konuda keşfedilen maddelerin,hastalıkta kullanılan ve elementlerin tarihsel gelişimine değineceğiz.)
Simyanın doğuşu,gereksinimlerin birer izdüşümü olduğunu söylemiştik.Bu gereksinimler maddeyi işleyip ona şekil verme ve gerekli yerde kullanma beceresi kazandırmıştır.(Ateşin bulunması,çanak-çömlek yapımı,kesici aletler vs.) Simyacılar burada bir şeyi fark etmişlerdir,metallerin bir araya gelip homojen olarak birleşmesi (tepkime anlaşılmasın) ve alaşımları oluşturması (bir çok alaşımda bu dönemlerde bulunmuştur,alaşımında ne olduğunu ortaöğretim dönemlerimizden biliyoruz.) Bu adım kimya bilimine geçişte çok büyük bir basamaktır ama teorik bilgiden (daha öncede söylediğimiz gibi) yoksundur.
Diğer bir yandan simyacılar hastalıkların tedavisiyle de uğraşmışlardır.(Ölümsüzlük iksirini bulamamış olsalar da)Simyacılar modern eczacılığın zeminini atmış durumdadırlar.Kullanılan bazı bitki ve bileşikler yara ve bunun gibi bazı tedavi yöntemlerine ön-ayak olmuştur.Örneğin limon kabuğunun mide üşütmesine,zehirlenen kişinin rahatlaması için göztaşı (CuSO4.5H2O) kullanılması buna örnektir.

Kısa bir not
Simyacılar giysilerini boyamak için bazı kimyasallar kullanmışlardır. (Şap/Alizarin vs.) Yaptıkları ürünlerin dayanıklılığını arttırmak için kükürt (S) buharı ile ağartma ve tuzlama gibi bazı yöntemleri geliştirmişlerdir.Bunun yanında bazı güzellik konusunda da buluşları vardır. (Sürme örneğin bu dönemde bulunmuştur.) Bir çok sülfürlü,oksitli bileşiklerde yine güzelleşme malzemesi olarak kullanılmıştır.

Elementlerin Tarihsel Gelişimi (Antik Yunan Dönemi)
Bu tarihsel gelişim başlangıcını Antik yunan filozoflarının en önemlilerinden biri olan Aristoteles’ten alır.Aristo maddelerin dört unsurdan oluştuğunu kabul eder,bunlar ‘Su-Hava –Ateş ve Toprak’ (bunu biraz açalım:Su düşüncesi başlangıcını Milet okulu filozoflarından olan Thales’ten alır,Thales’in öğrencisi olan Anaksimenes’te her şeyin havadan oluştuğunu söyler ve Herakleitos’ta her şeyin ateşten oluştuğunu ve yine her şeyin ona dönüşeceğini söyler,bu birleşiminde fikir babası ‘Dört Unsurun’ Antik Yunan Filozofu Empedokles’tir)
Aristo bu maddeleri kendi aralarında ayrıma tabi tutmuştur,bunlar sıcak-soğuk,kuru-ıslak olmak üzere dört unsura indirgemiştir,esasında bu fikir deneysel olmayıp ama düşüncel olarak kabul gören düşüncelerdir.(Bugün tabi ki bir değeri yoktur)
Kısacası kararlı çekirdeklerin yapısı değişmedikçe hiçbir element başka bir elemente dönüşemez,ancak nükleer reaktörlerde parçalanabilir (Bu yöntem serbest Nörton bombardımanıdır ve genellikle nötron kullanılır.) Bu dönüşme sadece kararsız çekirdeklerde meydana gelir ve konusunu radyoaktivite oluşturur.Bu konuya da ileri ki zamanlarda değineceğiz.)

Ekli dosyayı görüntüle 1142

Madde Nedir ? Nasıl Bir Yapıya Sahiptir ? (Giriş Niteliğinde,Hatırlamak Maksatlı)

Maddeyi tanımlamadan önce,biraz fizik bilgilerimizi hatırlamakta fayda var.Bilindiği gibi madde,enerjinin yoğunlaşmış biçimidir,bu enerji durumu sıfır 0 noktası dediğimiz (bingbang mevzusu) oluşumunun zeminidir (ama başlangıcı değildir) ve zaman kavramı da buna bağlı olarak madde/enerji formu ile varolur.(Konunun derinliğini şuan için fizikçileri ilgilendiriyor,burada bir çok formülü bilmemiz gerekiyor ama onları burada açmayacağım,ileri zaman diliminde bunlara fazlasıyla yer vereceğiz) Bu oluşum maddenin hem zaman içinde kendini bulması (yani başka formlara dönüşüp/farklı element ve bileşik forumlarına dönüşmesi) hem de maddeyi kütle/eylemsizlik prensiplerinden ayrı düşünmememizin etkenidir.
Maddeye gelince;madde,kütlesi,hacmi,eylemsizliği olan her şeydir.Kısacası,iş yapabilme yeteneğini oluşturan etkenler birer madde unsurudur.
(Bundan sonra ki bölümler,orta öğretim dönemini kapsayan derslerin içeriğinin birer özeti/parçasıdır,hatırlamak maksatlı bir tekrar.)

Maddenin Hâlleri (Katı/Sıvı/Gaz/Plazma/Einstein-Bose Yoğunlaşması)
Maddenin katı hali,maddenin en düzenli halidir bilindiği üzere,moleküller arası boşluk çok azdır ve atomlar/moleküller arası çekim gücü çok yüksektir.Bu yüzden katıların hem hacmi hemde şekli vardır.
Sıvı haline gelince,maddenin katılardan sonraki en düzenli halidir,moleküller arası çekim kuvveti katılara oranla daha zayıftır,bu yüzden akışkandırlar (viskozitenin tam tersi) ve bulundukları kabın şeklini alırlar.
Maddenin gaz hali,maddenin en düzensiz halidir,moleküller arası çekim kuvveti yok denecek kadar azdır.Bu nedenle gazlar bulunduğu ortamda her noktaya eşit şekilde dağılırlar.Belirli bir hacmi ve şekilleri yoktur
Plazma hali,plazma:iyonize olmuş gaz demektir yada başka bir ifadeyle,yüksek sıcaklıklarda ısıtılmış gazların,önceatomlara,sonra da son yörüngede ki elektronların kopmasıyla proton yüklü iyonlarına dönüşmesi olayıdır.Gazların özelliklerini taşırlar,yani belli bir hacmi ve şekilleri yoktur.(Kısa bir not:Evrenin %96’sı,plazma özelliği taşımaktadır)
Einstein-BoseYoğunlaşması:Bozonlardan oluşan maddeleriin mutlak sıfır sıcaklığına çok yakın değerlere kadar soğutulmasıyla ortaya çıkan maddenin bir halidir.

Maddenin Bazı Özellikleri
Erime: Maddenin katı halden sıvı hale geçmesidir.
Donma: Sıvı maddenin katı hala geçmesidir.
Buharlaşma: Sıvı maddenin gaz hale geçmesidir.
Yoğunlaşma: Gaz maddenin sıvı/katı hale geçmesidir.
Süblimleşme: Katı maddenin sıvı hale geçmeden,gaz hale geçmedir.(Örneğin;Naftalininerimesi,iyotun gaz hale geçmesi süblimleşmeye örnektir)
Resüblimleşme: Gaz maddenin sıvı hale geçmeden katı hale geçmesidir.(Soğuk bir ortamda gazın aniden donmasıdır,kuru buz yani CO2 gazı buna örnektir)

Maddelerin Kendi İçlerinde Sınıflanması
Saf Maddeler/Katışıksız:Element/Bileşik
Saf Olmayan Maddeler/Katışıklı:Homojen-Heterojen-Kolloidal Karışımlar

Element Kavramı
Element’in aynı cins atomlardan oluşan saf maddeler olduğunu biliyoruz.Elementler atomik (Na,K,Cav s.) yada moleküler (H2,O2,N2 vs.) yapıda olabilirler.

Elementlerinde kendine özgü bazı özellikleri vardır,bunlar:
Sıcaklık ve basınçta sabit olmaları,sembollerlegösterilmeleri,belirli erime kaynama noktaları olmasıdır.
Elementler,ne fiziksel nede kimyasal yolla kendinden daha basit parçalara ayrılamazlar,bunlar elementlerin birer karakteristik özellikleridir.
Elemenler:O2,C,N2,Si,Xe vs.
Elementlerde kendi aralarında,metaller/ametaller ve soygazlar olarak ayrılırlar.

Metallar
Elektriği,ısıyı çok iyi iletirler.Yüzeyleriparlaktır.Tel ve levha haline getirilebilirler (bazı durumlar vardır,istisnasıdır 1 A grubu elemenleriörneğin,bunlar diğer metallerle alaşım yaparak metalik karakterlerini ortaya koyarlar.) Bileşiklerinden pozitif (+) değerlik alırlar.(Burada tek istisna,Hidrojenelementidir,ametaldir ama pozitif değerlik alır)

Ametallar
Isıyı,elektriğiiletmezler.Mattırlar (bazı istisnalar hariç,iyot/brom gibi). Tel ve levha haline getirilemezler.Pozitif ve negatif değerlik alabilirler.Bunları zaten orta öğretim döneminden biliyoruz tekrar oldu

Soygazlar
Değerlikleri hariç,bütün özellikleriyle ametallere benzerler (Fakat istisnai durumlar vardır ve soygazlar da bileşik oluşturur ve değerlik alırlar.)
(Not:Bu maddeleri bir arada tutan bir güç olması gerekiyor,bu konuya da yine ileri ki zamanlarda ‘Kimyasal Bağlar’ konusunda değineceğiz.)

Bileşikler
İki yada daha fazla maddenin kimyasal özelliklerini kaybederek,yeni bir madde oluşturmasına ‘Bileşik’ denir.Bileşiğin en küçük yapı birimi ‘molekül’dür.

Bileşiklerinde kendine özgü bazı özellikleri vardır.Bunlar:
Bir çok özelliği elementlerle aynı olsa da,formülllerlegösterilmesi,yeni oluşan maddenin kendi özelliğini göstermemesi,kimyasal yollarla bileşenlerine ayrılması ve birden daha çok atom grubu içermesiyle elementlerden ayrılır.
Bileşikler:NaCI,H2SO4,KNO3,C12H22O11 vs.

Saf Olmayan/Katışıksız Maddeler
Karışım,birden fazla maddenin (kimyasal özelliğini kaybetmeden) belirli oranda bir araya gelmesidir.Bunlar kendi aralarında ikiye ayrılır. (Homojen-Heterojen karışımlar)
Bunları açacak olursak;
Homojen Karışım:özellikleri her yerde aynı olan karışımlardır. (Alkol-Su,Tuzlu Su vs.)
(Not:Tüm saf maddeler homojendir fakat tüm homojen maddeler saf madde değildir.)
Heterojen Karışım:Özellikleri her yerde aynı olmayan karışımlardır.(Zeytinyağı-Su,Tebeşir Tozu-Su)
Heterojen karışımlarda kendi aralarında ayrılılar:bunlar
Süspansiyon: (Tebeşir Tozu-Su)
Emülsiyon: (Zeytinyağı-Su)
Aerosol: (Sis,Duman)
Kolloidal: Birmaddenin,başka bir madde içinde ince taneli olarak dağılmasıdır.(Örneğin;İkikimyasalın,farklı renkli yapıda bir kimyasal madde oluşturma süreci buna örnektir,Bir diğer örnek,kremadır.)

Maddenin Yapısal Özellikleri
Fiziksel Özellikler: Dış yapının değişmesidir.
Renk,koku,görünüm,erime,kaynama vs.
Elmanın ikiye bölünmesi,tuzun suda çözünmesi,kağıdınyırtılması,mumun erimesi vs. buna örnektir.
Kimyasal Özellikler:İç yapının değişimidir.
Yanma,paslanma,oksitlenme,elektrolizvs
Suyun elektrolizi,gümüşün asitte çözünmesi,kömürünyanması,yaprağın düşmesi ve solması vs. buna örnektir.
Madde konusu burada son buluyor,maksat hatırlamaktı hatırladık, bundan sonra ki konular,kimyanın daha içsel konuları olarak sade/anlaşılır fakat kimya terminolojisine uygun olarak sunulacaktır,kimyayla kalma adına…

Ekli dosyayı görüntüle 1143

Atom ve Yapısı

Atom/Atoma (Felsefik boyutu)
Dilerseniz atomun ne olduğunu tanımlamadan önce,bu başlangıcın tarihsel kökenine bakalım.Atom (atoma) Antik Yunan Filozoflarının bazılarının ele aldığı bir çıkış noktasıdır (Buna arkhe de diyebiliriz.)
Kökeni,Pisagorasçılardan etkilenmiş ve evrenin arkhesi olarak atomu merkeze almış Leukippos olduğu söylenir.Fakat günümüze hiçbir eseri ulaşmadığından felsefesine dairde bir şey söyleyemiyoruz.Bubaşlangıcın asıl ismi Abdera’dayaşamış,maddeci filozoflardan ‘Demokritos’tur.Demokritos’un atom (atoma) anlayışı,Parmenides’in varlık anlayışıyla paraleldir.(Parmenides’in felsefesine kısaca bakacak olursak,çokluk/boşluk ve oluş söz konusu değildir.Bunun yerine ‘bir-olan’ yani boşluksuz,sürekli,değişmeyen mutlak bir varlık anlayışı hakimdir.)Demokritos’un atom anlayışına gelince,burada bir çok çokluk mevcuttur,bunlar atomlardır fakat bu atomlar bölünmez ve çok ince yapıda olanları da mevcuttur (Ruh anlayışı buna dayanır.) Bu atomlar,evrenimizioluşturur.Çoklukiçindedirler,asla boşluk içermezler ve yine içlerinde değişmez/parçalanmazlar,sonradan var-olmamış ve yok-olmayacak varlıklardır.
Tarihsel gelişimi filozoflardan yaptığımıza göre artık atomu daha teorik/zemine oturur bir şekilde ele alabiliriz.

Atom Nedir ? (Kuramsal)
Atom,kimyasal reaksiyona giren,elektron alış-verişi sonucu başka yapılara dönüşen ve kimyasal reaksiyona girebilen maddenin en küçük yapı birimidir,kısaca.Atomuniçi,büyük bir boşluk oluşturan,gözle görülemeyen ilginç bir yapının temel taşıdır (kuarklar dışında.) Merkezde,daire şeklinde tanecikli yapıda çekirdek bulunur (İstisnalar H,He ve Li’dur bunlar protondan oluşur.) Bu çekirdek dış kabukta (valans kabuğu) elektronların elektrostatik bir kuvvetle,merkez kaç kuvvetiyle merkezde durmaktadır.(Bohr atom modeli)
Elektronlar,belli kuantum sayılarıyla belirlenen (n1,n2,n3,n4) orbitallerde ki enerji başlangıcı ve elektronun düşük bir yörüngede elektro-manyetik ışıma yapmasıyla gerçekleşmektedir.(Atom konusunu,atom modelleri konusunda daha kapsamlı ele alacağız ve atomun açıklanamayan bazı teorilerini tarihsel gelişimiyle zemine oturtacağız.)

Çekirdeğin Yapısı
Çekirdek (nükleon),atomun kütlesinin büyük bir bölümünü oluşturan,pozitif yüklü merkezcil bir bölümdür.(İlk çalışmaları Rutherford tarafından yapılmıştır) Çekirdeğin taşıdığı yük,atomsayısıyla,elektron yükünün çarpımı kadardır.(Z.e Z:Atom Sayısı,e:Elektron yükü) Çekirdeğin merkezinde bulunan proton her element için aynıdır,nötron (iki aşağı,bir yukarı kuarktan oluşmuştur)sayısı farklıdır,bu da izotop atomların varlığını belirler.
Çekirdeğin kütlesine gelince,yarıçap (r) , c=1,5.10¯¹⁵ ‘sabit sayıdır’ olmak üzere r=c.Â⅓ formülüyle hesaplanır.
Çekirdek doğada kararlı bir yapıda bulunur,fakat radyoaktif atomların çekirdekleri kararsızdır ve alfa,beta ışıması yaparak başka elementlere dönüşebilirler. (Radyoaktivite konusuna ileri ki zamanda daha kapsamlı bir şekilde değineceğiz,şimdilik burada bırakıyorum)

Proton ve Proton Sayısının Belirlenmesi
Yüksüz bir atomdan elektron koparılınca ortaya yüklü bir tanecik çıkar,bu protondur (Hidrojen elementinin yapısı).

Sayısının belirlenmesi
yaptığı bazı deneylerle,proton sayısının nasıl belirlendiği üzerine bazı teoriler geliştirmiştir.X-ışını yardımıyla değişik elementlerin spektrumlarını elde etmiş,her elementin kendine özgü karakteristik spektral çizgi içeren X-ışını spektrumu olduğunu keşfetmiştir.(E=h.v formülüyle hesaplanır) Bu karakteristik çizgiler ard-arda gelen her elementte frekansını artması yönünde sağa/sola kaymasıyla oluşur.Moseley yaptığı bu çalışmalarda,atomun kütlesinin arttıkça yayılan ışının frekansında buna bağlı olarak arttığını gözlemlemiş ve çekirdeğin yükünün karakteristik yapısı olduğunu gözlemlemiştir.Moseleyyine,elementin atom numarası ile çizgisel frekansının karekökü arasında doğru bir ilişki olduğunu saptamıştır.Moseley’inçalışmaları,periyodik yasanında ‘Elementlerin fiziksel ve kimyasal özellikleri atom numarasının belirleyicisidir’ başlangıcıdır.

Nötron
Nötron,bilindiği gibi 1932 yılında Chadwick (kadvik) tarafından keşfedilmiştir ama bu düşüncenin fikir babası E.Rutherford’tur.
Serbest halde bulunan nötron rahatlıkla bozunabilir ve diğer parçacıklarla etkisinden beta bozunmasınauğrarlar.Bubozunma zayıf bir etkileşim olduğundan son derece zayıf ve zor bir etkileşimdir.Ama asıl nötron çekirdekte bulunan/kararlı yapı sergileyen nötronlardır.Serbest nötrona gelince,bir çok nükleer tepkimede bunlar kullanılır.Nükleer reaktörlerde ve hızlandırıcılarda yine serbest nötron kullanılır.Nötronlar,çekirdeği etkilediğinden meydana gelen iyonlar/parçacıklar ve gamma ışınlarının tanınmasında kullanılır ve dalga özelliği gösterirler.Öyleki,nötron kırınımı yoluyla kristal yapıları ve manyetik özellikleri incelenebilir.
Çekirdeğin Yapısıyla İlgili Sayısal Değerler
Proton:Elektrondan 1836 kat daha ağırdır ve kararlı baryon protonunun atomik kütle birimi 1,007277 MeV/,gram değeri 1,6726×10¯²⁴,yükü Q1=1,Spini ½ dir.Protonu da ilk J.J.Thomson gözlemiştir.(1905)
Proton ayrıca,kuark dediğimiz (şimdilik maddenin yapı-taşı olarak kabul ediliyor.) parçacıklardan oluşmaktadır.Bu parçacıklar iki yukarı,bir aşağı kuarktanoluşur,spin sayısı ½ dir.
Nötron: Kütlesi,1,008665 MeV/,gram değeri 1,6749×10¯²⁴,yükü=0 dır.Nötronda,JamesChadwick tarafından berilyumun alfa parçacıklarıyla bombardımanı sırasında (1932) yılında bulunmuştur.
Nötronda yine kuark dediğimiz parçacıkların birleşmesiyle oluşur,ikiaşağı,bir yukarıkuarktanoluşur,spin sayısı ½ dir. (Kuarklar konusuna da yine ileriki zamanlarda tekrar değineceğiz,şimdilik burada bırakıyorum)

Elektron
Elektron,atomun çekirdek dışında ki diğer bileşenidir.(Leptonlar grubundan bir parçaçık) Elektronlar,gaz atomlarının (O₂,H₂ vs.) iyonlaşmasıyla deşarj tüplerinde ve çeşitli nükleer tepkimelerde açığa çıkarlar.Bir çok madde,elektrik iletimin sağlayan serbest elektronlardır.Bu elektrik iletimi alanına yerleştirilen elektron,elektrikselkuvvetlerle karşılaşır ve bu kuvvet alanının şiddetiyle,elektronun yükünün çarpımına eşit olur.Elektronun bu özelliği,elektron demetlerinin hızlandırılıp bir noktada toplanması esasına dayanır.Elektrik akımının nedeni de,elektronhareketidir.Elektronların nüfuz edebilme özelliği de yine hızlarına bağlıdır.Bir maddeye nüfuz eden elektronlar esnek çarpışmaya uğrayarak sapar ve esnek olmayan çarpışmalar sonucunda enerji yitirip maddenin enerji düzeyine bağlı olarak değişikliğine yol açar.Esnek çarpışmalarda yine açığa çıkan enerji ısı biçimidir ve bu durum,maddenin boşlukta belirli bölümlerinin ısıtılması esasına dayanır.

Elektronun Keşfi
Faraday yaptığı bazı deneylerden sonra G.Stöney atomlarda elektrik yüklü taneciklerden bahsetti ve bunlara ‘elektron’ adı verilmesini önermiştir.Stoney,elektron adını verdiği negatif yüklü bu taneciklerden bilindiği gibi her madde de vardır.Maddenin nötr yüklü olmasının nedeni de bu elektronun karşı parçacığıyla ( pozitron) olan etkileşimidir.Elektronlara dair ilk çalışmalar,WilliamCrooks tarafından yapıldığı bilinmektedir. ( Yaptığı bu deneyin adı da kendi ismiyle esinlenilmiştir) Crooks geliştirdiği ve kendi adıyla anılan ‘Crooks tüpleri’ ile yaptığı çalışmalarda,gazların elektrik etkileşimlerini incelemiştir.Deneyi kısaca ele almak gerekirse,Crooks tüpünde elektrotlar arasına yüksek gerilim uygulanınca cam çeperde sarı-yeşil floresan ışık yansıması oluşmuştur.Bu ışınlar negatif ( - ) yüklü elektrottan katottan (katyonla karıştırmayalım!) çıkıp,pozitif ( + ) yüklü elektroda gittikleri için ‘katot ışınları’ olarak adlandırılmıştır. Bu deneyden çıkarılan sonuç; Katot ışınları elektronların cinsine ve tüpün içindeki gazın cinsine bağlı değildir.Katot ışınları ile ilgili yapılan çalışmalar sonucunda,elektriğin negatif ( - ) yüklü taneciklerden oluştuğu ve bu taneciklerin bütün maddelerin yapısında bulunduğu tespit edilmiştir.Yine bu deneyde ışın demeti çarkları sayesinde ışın parların parçacıklardan oluştuğu ispatlanmıştır.Sonolarak,katot ışınlarının hızla hareket eden negatif ( - ) yüklü tanecikler olduğu anlaşılmıştır.

Elektronun Yükünün ve Kütlesinin Bulunması
Julius Plücker 1858’de yaptığı deneyde,katot tüpüne mıknatıs yaklaştırarak katot ışınlarının manyetik alandaki davranışlarını incelemiştir.Plücker,katotun yakınlarında gördüğü,parlak yeşil ışık lekelerinin yerini mıknatıs kullanarak değiştirmeyi başarmıştır.FakatPlücker,tüpün havasını tam olarak boşaltmadığından deney başarısız olmuştur.
Yine bu deneyin devamı olarak,J.J.ThomsonPlücker ‘in deneyini model alarak 1897’de yaptığı alanda sapmalarını gözlemleyerek elektronlar için yük/kütle (e/m) bağıntısını bulmuştur.Yapılan deneylerle ilgili bilgiler aşağıdaki gibidir.Deneyle İlgili: Tüpe sadece elektriksel alan uygulanırsa (tüpün altına ve üstüne levha konursa) elektronlar pozitif (+) yüklü levhaya sapar.Yüklü parçacığın elektriksel yükü ile doğru,elektrik yüklü parçacığın kütlesiyle ters orantılı olduğu görülür.
Eğer elektriksel alanda dik olacak şekilde tüpe sadece manyetik alan uygulanırsa,elektronlar eğimli bir yol çizerek leke oluşturur.Katottan çıkan elektronlar anotagider.Anotta ki delikten geçen elektronlar için bu alanlar bulunmadığı zaman yada elektriksel alan ve manyetik alan kuvvetleri birbirini yok ettiği zaman ilgili alana çarpar.
Thomson,yaptığı deneylerden yararlanarak elektronlar için e/m (yük/kütle) oranını -1,7588.10¹¹ C/Kg olarak bulmuştur.
Elektronla İlgili Sayısal Değerler
Kütlesi: 0,00054859 MeV/c² yükü -1veya 0 dır.Spini ½ dir.

Atomda Elektron ve Pozitif Yükler Arasındaki İlişki
Crooks tüplerinde bulunan katot ışınları,tüpün içinde bulunan gaz atomlarından veya moleküllerinden elektronların ayrılmasına sebep olduğundan pozitif yüklü iyonlar oluşur.Bu pozitif yüklü tanecikler negatif yüklü elektroda (katoda) doğru hareket eder.Bir kısmı deliklerden geçerek tüpün yüzeyine çarpar,bunlara ‘Pozitif Işınlar’ denir.İlk olarak 1886’da EugenGoldstein tarafından araştırılmıştır.
Aynı pozitif yüklü iyonlar için değeri,iyonun kütlesi küçüldükçe artar.Gaz boşalma tüpünde hidrojen gazı varsa pozitif iyonlar için gözlenen en büyük değeri elde edilir.
Hidrojen iyonu için elde edilen değeri bu pozitif yüklü taneciğe ait değer olarak alınır.Bu yük değeri,elektronun yüküne eşit ve ters işaretli olup 1,602.10¯¹⁹ C dir.Ekli dosyayı görüntüle 1144

Atom Modelleri ve Tarihsel Gelişimi

Dalton Atom modeli
Dalton,1803-1808 yılları arasında yaptığı çalışmalarla kendi adıyla anılan atom teorisini geliştirmiştir.Bunları dilerseniz tekrar hatırlayalım
Dalton’agöre ;
_Atomlar elementlerin en küçük yapı birimidir.
_Atom içi dolu küredir.
_Atomlar bölünemezler.
_Bir elementin atomları şekil,büyüklük ve kütle bakımından birbirinin aynısıdır.
_Farklı element atomlarının belirli oranlarda birleşmesinden bileşikler oluşur.

Thomson Atom Modeli
Thomson atom modeline göre ;
_Nötr bir atomda eşit sayıda ( + ) ve ( - ) yükler bulunmaktadır.Bu yükler rastgele dağılmışlardır.(Bu modele meşhur ‘Üzümlü Kek’ modeli denir)
_Atom küre biçimindedir ve bu atomun yarıçapı 10¯¹⁰ m civarındadır

Rutherford Atom Modeli
Rutherford,daha önce eksikliğini gördüğü Thomson atom modelini geliştirmiştir.(Daha doğrusu çok ötesine geçmiştir) 1911 yılında yaptığı deneyde,ince altın levhadan α (alfa - iki proton ve iki nötron çekirdeğidir.) tanecikleri geçirmiştir ve bazı sonuçlara varmıştır.
Bunlar ;
_ α taneciklerinin büyük bir kısmı sapmaya uğramadığına göre atom çoğunlukla boşluktan ibarettir.
_Bir atomda,pozitif yükün tamamı,çekirdek denilen küçük bölgede toplanmıştır.
_Pozitif yüklerin toplam kütlesi atomun kütlesinin yarısı kadardır.
_Elektronlar,çekirdek etrafında bulunur ve pozitif yüklerle eşit sayıdadır.
Dilerseniz bu atom modelini ve deneyin nasıl olduğunu biraz daha açıp,ayrıntılı inceleyelim.
Rutherford,hazırladığı düzenekte kurşun (Pb) bir blok içindeki α taneciklerini çok ince altın (au) yapraklara ulaşmasını sağlamıştır.Altın levhaya gelen α taneciklerinin çoğu,sanki boş uzayda gidiyormuş gibi metal yapraktan geçiyordu.Bazıları büyük açılar ile saçılırken bazıları da (1/8000 oranında) ilk geliş doğrultusunun tam tersi yönünde geriye doğru saçılmaktaydı.Rutherford bu deneyden yola çıkarak (+) yüklerin bir yerde toplanması gerektiğini söyledi ve çekirdekli bir atom modeli öne sürdü.
Bu modele göre,atom pozitif yükten oluşmuş ve kütlenin çoğu çekirdek denilen küçük bir yerde toplanmıştır.Çekirdekdışında,atomun içerisinde büyük boşluklar vardır ve sadece elektronlar,gezegenlerin güneş etrafında döndüğü gibi dönmektedir.İlk defa atomun çekirdekli yapıda oluşu fikri bu modelle ortaya çıkmıştır.Bu modelde atom elektrikçe nötrdür.
Rutherford ayrıca çekirdekte yüksüz taneciklerin olabileceğinden söz etmiştir.Daha bunun ‘nötron’ olduğu Chadwick tarafından 1932 yılında bulunmuştur.
Rutherford Atom Modelinin Açıklayamadığı Durumlar
_Elektromanyetik ışımaları açıklamada yetersizdir.
Elektromanyetik teoriye göre,yüklü tanecikler ivmeli hareket yaparsa elektromanyetik dalga yaymaları gerekir.
_Spektrum çizgilerini açıklayamamıştır.
Elektromanyetik dalga yayarak çekirdeğe yaklaşan elektronun hızı artar ve dolayısıyla frekansının artması gerekir.

Bohr Atom Modeli
Bohr atom modeline göre ;
_Bir atomda bulunan her elektron çekirdek ancak belirli uzaklıklarda küresel yörüngelerle bulunabilir.
_Her yörünge belirli enerji düzeyine sahiptir.Yörüngelerin ortak merkezi çekirdektir.Yörüngeler ‘K,L,M,N,O …’ gibi harfler ile veya ‘1,2,3,4,5 …’ (Baş Kuantum Sayıları) gibi rakamlar gösterilirler.
Her yörüngenin ; Ekli dosyayı görüntüle 1145
_Elektronlar en düşün enerji düzeyinde bulunmak isterler.Bu düzeye ‘Temel Hal Düzeyi’ denir.Madde ısıtıldığında elektronlar daha yüksek enerji düzeyine geçer.Bu durumdaki atomlar ‘Uyarılmış Hal’ denir.
_Yüksek enerji düzeyinde bulunan elektron düşük enerji düzeyine inerse aradaki enerji farkına eşit enerjide ışın yayılır.
Bohr Atom Modelinin Açıklayamadığı Durumlar
_Bohr atom modeli ; ( H ) Hidrojen,(He⁺) Helyum ve (Li⁺²) Lityum gibi tek elektronlu türlerin spektrumları başarıyla açıklamıştır.Fakat birden fazla elektron içeren türlerin spektrumlarını açıklamada yetersiz kalmıştır.
_Atomların spektrum çizgileri incelendiğinde ışıma yapan kaynak bir manyetik alanın etkisine girdiğinde her bir çizginin yeni çizgilere bölündüğü saptanmıştır.Bohr atom modeli spektrum çizgilerinin yapısını açıklayamamıştır.
_Bir atomdaki elektronların enerji düzeyleri arasındaki geçişleri sırasında oluşan spektrum çizgilerinin parlaklıklarının farklı olduğu görülmüştür.Bohr atom modeli,atomların bazı enerji düzeyleri arasındaki geçişi daha çok tercih etmelerini açıklayamamıştır.
_Bohr atom modeli,atomların birleşerek molekül oluşumunu açıklayamamıştır.

Ekli dosyayı görüntüle 1146

Diğer Atom Teorileri (De Broglie Hipotezi,Heisenberg Belirsizlik İlkesi,Pauli Dışlama İlkesi)
De Broglie Hipotezi
De Broglie ve E.Schrödinger’in ışık ve tanecik modelinin birleştirilerek bugünkü ‘Dalga Mekaniği (Kuantum Mekaniği)’ temelini atmış ve açıklamış bir hipotezdir.Bohr atom modeli,elektronun dalga hareketini dikkate almaz.DeBroglie’yegöre,atomlardaki elektronlar hem tanecik,hemde dalga özelliğine sahiptir.DeBroglie,kütlesim,hızı v olan bir parçacığa dalganın eşlik edebileceğini söylemiştir.Parçacığın dalga boyuna da ;

Elektron gibi kütlesi küçük olan parçacıkların sadece tanecik olarak değil,onlara eşlik eden dalgalarla birlikte düşünülmesi gerektiğini savunan De Broglie bu görüşüyle Bohr’un varsayımlarından birisi olan atomdaki elektronların çekirdek çevresindeki yerleşimlerini belirleyen açısal momentumun ;

Heisenberg Belirsizlik İlkesi
Öncelikle bu ilkeyi açıklamadan önce ne olduğunu söyleyip daha sonra açıklamasını yapacağız.
‘Bir taneciğin konumunu ve momentumunu aynı anda ölçmek olanaksızdır’
Alman fizikçi WernerHeisenberg’in bu görüşü kuantum mekaniğinin temelini oluşturur.Heisenberg’in görüşüne göre,atomdaki elektronların yerinin tam olarak bilinmesi imkansızdır.Mesela,elektronun konumunu kesin bir şekilde ölçebilecek bir deney tasarlansa,elektromanyetik dalgalar göndererek yerini belirlemeye çalışırken enerji aktaracağından momentumu değişir ve momentumu hassasiyetle ölçemeyiz.Ayrıca momentumu belirleyecek şekilde deney tasarlansa,bu defada elektronun konumu hassasiyetle ölçülemediği görülür.Bu belirsizlikler ölçü aletlerinin yetersizliğinden değil,atom-altı parçacıklarının belirsiz yapısından kaynaklanmaktadır.Bu durumda şu formülü yazabiliriz ;

Bunun yanında,elektronu gözlemlemek için uzun dalga boylu ışın kullanıldığında elektronun hızı ve konumdaki belirsizlik yüksek olur.Kısa dalga boylu ışının enerjisi elektrona aktarılır ve elektronun hareket yönü değişebilir.
Heisenberg başka bir belirsizlik ilkesinden de bahsetmiştir.Bu belirsizlik ilkesi enerji-zaman belirsizliğidir.Bu belirsizliğe göre,sonlu bir ölçüm süresi içinde bir parçacığın enerjisi tam olarak doğru ölçülemez.

Avusturyalı fizikçi E.Schrödinger’in yaptığı çalışmalarla Heisenberg’e büyük destek olmuştur.(Özellikle Schrödinger’in kedisi adlı paradoksal düşünce deneyiyle tanınır.)

Pauli Dışlama İlkesi
Pauli ilkesi ;
‘Bir atomda,kuantum sayıları farklı olan iki elektron spin değeri alır.Buna göre bir orbitaldespinleri farklı en fazla iki elektron bulunur’ şeklinde ifade edilen ilkedir.
Bu ilkeye göre ;
Bir atomdaki her bir elektron dört kuantum sayısı (n,ℓ,mℓ,ms) ile gösterilir.Birden fazla elektronu olan atomlarda,elektronun çekirdek çevresindeki dağılımlarını açıklamak için Pauli,1923 yılında kendi adıyla anılan bir prensip ortaya koymuştur.Bu prensibe göre iki elektron (n,ℓ,mℓ,ms) kuantum sayılarının aynısına sahip olamaz.Bunlardan en az bir tanesi birbirinden farklıdır.Bu yüzden her orbitalde ancak iki elektron yerleşebilir.Pauli prensibi ile bir atomun kabul ve alt-kabuklarındaki elektron sayıları bulunabilir.

Temel Parçacıklar ve Kuarklar



Kuarklar konusuna gelmeden önce bu tarihsel süreci tekrar bir hatırlayalım.Bilindiği gibi atoma dair ilk düşünceler Antik Yunan dönemine aittir.Bir kaç filozof ismi geçsede bunu felsefik dille izah eden ilk kişi ‘Demokritos’tur.Demokritos,evreni bölünemeyen/parçalanamayan anlamına gelen atomların birleşiminden meydana geldiğini söylemiştir.Bu süreç 19.YY’la kadar böyle gelmiştir,ta ki Dalton’un yaptığı deneyler sonucu atomun düşünsel tarihinden,teorik zeminine oturana kadar,aslında Dalton’da atom hakkında pek açıklayıcı şeyler söylememiştir.Bir çok düşüncesi ‘Demokritos’la paraleldir.Bu tahihsel gelişim Thomson’ın elektronu,Rutherford’un çekirdeği ve protonu,Chadwick’in (Kadvik) ise nötronu bulmasıyla zirveye ulaşmıştır.Atom bu sürece kadar,çekirdek (proton,nötron) ve elektronlardan oluştuğu düşünülüyordu.19.’lu yılların ortalarına gelince bazı bilim adamları,parçacık fiziği denilen alanda yoğunlaşmakla birlikte bir dizi teorile ve düşünceler ortaya atmıştır,bu durum hiçte yadırganacak bir durum değildi.Bilim adamları bu süreçte bazı parçacıklara ulaşmışlardır ve hala uğraşmaktadırlar (sicim teorileri vs.). Bu uğraş maddenin şimdilik yapı-taşı olarak bilinen kuarklar ve leptonlardır.Şimdilik maddenin yapı-taşı olarak biliniyorlar.

Temel Parçacıklar
Yapılan deneylerle birlikte şuan için 300/350 (bu sayı hiçbir kesinliği ifade etmiyor,tahmini bir rakam olduğunu düşünüyorum) civarında parçacık tespit edildiği söyleniyor.Bu parçacıklarıda kendi aralarında ayırırsak,fotonlar/hadronlar (kuarklar konusunu en sona bırakıyorum) ve leptonlar olarak sınıflandırabiliriz.

Fotonlar
Foton:Elektron koparmaya yarayan enerji paketleridir.Foton kavramını ilk kez Einstein ileri sürmüştür.Fotonlar elektrikçe yüksüz,kütlesi önemsiz,Işık hızıyla hareket eden parçacıklardır.Fotonların belirgin özelliği,elektro-kuvvetler ve yüklü parçacıklarla etkileişimidir.Fotonlar,atom moleküllerini uyarabilir ve yüksek enerjili olanlara iyonlaşmaya yol açabilirler.Fotonların karşıt parçacıklarıda fotonlardır.
Fotonun enerjisi: Plank sabiti (h) ışının frekansının (v) çarpıma eşittir.

Hadronlar
Çekirdek içinde tutulan kuvvetlerin oluşumuna aracılık eden parçacıklar hadron grubu olarak bilinir.Hadronlar spinlerine ve kütlelerine göre mezonlar ve baryonlar olarak ikiye ayrılır.
a)Mezonlar (Mezonlar 1 kuark ve 1 anti kuarktan oluşur)
Japon ‘Yukawa’ çekirdekteki proton ve nötronun bir arada durması için orta kütleli parçacık alış-verişinin olması grektiğini öne sürmüştür.bu parçacıklar,kütlesi elektronunkinden büyük protonunkinden küçük olduğu için Yunanca orta anlamına gelen meso kelimesinden türetilmiştir ‘mezon’ ve olarak adlandırılır.(Bu parçacıklar 1947 yılında deneysel ortamda gözlenerek Yukawa’ya Nobel Ödülü kazandırmıştır.)
Mezonlar çekirdekteki parçacıklar arasındaki çekirdek kuvvetini taşıyan parçacıklardır.Bunun dışında madde parçacıkları birbirinden farklıdır.Proton ve elektron gibi parçacıklara ‘madde parçacıkları’ foton ve mezon gibi parçacıklara ise ‘etkileşim parçacıkları’ denir.Mezon grubu hadronları pionlar ve kaonlardır ve bunların karşıt parçacıklarından oluşur.Spinleri sııfır yada tamsayı değerleridir.
Yukawa’nın tarifine uyan parçacıkta pionlardır.Pion parçacıkları kararsızdır ve pionlar en hafif mezonlardırOrtalama ömürleri çok kısadır,bozunarak müonları,nötrinoları ve karşınötrinolara dönüşürler.
b)Baryonlar (Baryonlar 3 kuarktan oluşur)
Baryonlar,parçacık grupları içindeki en ağır parçacıklardır.Kütleleri ya protondan büyük yada ondan daha fazladır.Baryonda ayrıca Yunancada ağır anlamına gelir.Spinleri kesirlidir ½ En bilindik baryonlar proton (iki yukarı,bir aşağı kuark) ve nötron (iki aşağı,bir yukarı kuark) dur.Temel özellikleri bozunduklarında protonlara dönüşmeleridir.Protonlarda en kararlı baryonlar olarak bozunmazlar ve radyoaktif süreçleri yoktur.Baryon grubu parçacıklarınıda şu şekilde ele alabiliriz.
_Proton Spini=½
_Nötron Spini=½
_Lambda Spini=½
_Sigma Spini=½ (pozitif,negatif ve nötr parçacıkları vardır)
_Ksi Spini=½ (negatif ve nötr parçacıkları vardır)
_Omega Spini=3/2
Ve bunların karşıt parçacıklarından oluşurlar.
Baryon Sayılarının Korunumu Yasası
Baryon sayılarının korunumu yasası: Her parçacığa bir baryon sayısı verilir.Bu sayı tüm baryonlar için +1,karşıt parçacıkları için -1 ve diğer parçacıklar için 0 dır.Çekirdek bozunması olayında,bozunmadan önceki baryon sayısı bozunduktan sonra ki baryon sayısına eşittir.Bu duruma ‘Baryon Sayısı Korunumu Yasası’ denir ve olay nötrdür.Bu yasa,bozunma sonucunda baryon oluşuyorsa bir çok karşıt baryonda oluşabileceği anlamına gelir.

Leptonlar
Leptonlar,parçacık grubunda en hafif parçacıklardır,zayıf kuvvetlere aracılık ederler.Spinlerinin hepsi ½ dir.Kütleleri protondan küçüktür.Neptonlar,noktasal kabul edilirler bu yüzden kuarklar kadar kadar daha küçük temel parçacıklara sebep olmayacağı düşünülür.Leptonlar grubu parçacıklarınıda lşu şekilde ele alabiliriz. (Hepsinin spini daha öncede söylediğimiz gibi ½ dir)
_Elektron
_Elekron Nötrinosu
_Müon
_Müon Nötrinosu
_Tau
_Tau Nötrinosu
Daha önce bahsettiğimiz gibi,baryon sayılarının bir korunum yasası vardır diye,aynı şekilde leptonlarında korunum yasası vardır.Baryonlardaki korunum ilkesi leptonlar içinde geçerlidir.Yani leptonlar +1,karşıtparçacıkları -1,diğer parçacıkları 0 dır.

Kuarklar

Kuarklar,hadronların en bilindik parçacıklarıdır.Kuarklar 6 çeşit olarak biliniyor şimdilik ve bunların karşıt parçacıklarıdır.
Bunlar;
Üst Kuark (u) Spini=⅔
Alt Kuark (d) Spini=⅓
Acayip Kuark (s) Spini=⅓
Tılsımlı Kuark (c) Spini=⅔
Taban Kuark (b) Spini=⅓
Tavan Kuark (t) Spini=⅓
Ve karşıt parçacıklarıdır.
Kuarklarda üstte görüleceği gibi spinleri kesirlidir.En bilindik kuarklarda proton (iki yukarı,bir aşağı) ve nötron (iki aşağı,bir yukarı kuark) dur.Birde bu kuarkları bir arada tutan/etkileşim sağlayan parçacıklar vardır,bu da gluondur (glue=tutkal anlamına gelir ingilizcede) Gluon çok büyük bir çekim gücü olduğu için çekirdeğin dağılmasınada engel olur ve kuarklarda bu sayede tutulur.

Woodward-Hoffmann Yaklaşımı (Bileşikler nasıl oluşur)

Genelde hep merak etmişizdir,bir reaksiyon gerçekleşirken madde bunu nasıl ayırt edip ve bu şekilde yaklaşım içine girebiliyor,biz çoğu zaman bu bileşen hakkında teorik olarak bir şeyler oluşturabiliyoruz kağıt üzerinde,peki bunun nedeni nedir ? Bazı bilim insanları bu konuda bir çok çalışmalar yapmışlardır bunlardan bazıları da Robert BurnsWoodward Roald Hoffmanndır.Bu kuramda ürünleri oluşturan bileşenlerin orbitallerin simetrik oluşlarıdır,bu durumu muhafaza eden bütün bileşenler bize bu yaklaşımda ki temel bilgilerin doğruluğunu verecektir ama durum yüksek enerji seviyesinde ki ise bu durum bize asimetri bir yapı sergileyecektir ve ürünlerin ne tür oluşum hakkında bize bilgi vereceği meçhul olmakla birlikte belirsizde bir yapı sergileyecektir,daha öncede belirttiğimiz gibi,burada aslolan bileşenlerin simetrik oluşlarıdır,bu durum daha çok organik kimya konusunda bize daha fazla bilgi vermektedir,nükleofil ve elektrofillik reaksiyonlarda elektronların alınıp verilmesi bu simetriyi bozacak ve farklı bileşenlere sebep olması organik kimya konusunda bileşenlerin entropisi bize daha düzensiz bir yapı verecektir,bu da bileşenlerin daha çok ve karmaşık yapıların ötesinde çeşitliliğe sebep olacaktır.

İleri okuma
Kuantum Kimyası (Prof.Dr.Zekiye Çınar) Çağlayan Kitabevi

Ziyaretçiler için gizlenmiş link,görmek için Giriş yap veya üye ol.

Atomik ve moleküler orbital simetrisi

Orbital kavramına gelmeden önce bu durumu açıklığa kavuşturan temel unsurlar neler onlardan bahsetmek istiyorum,bu sayede konuyu hem daha iyi kavramış oluruz hemde aklımızda tutması daha kolay olacaktır.Bilindiği gibi atom çekirdek ve elektron denen bir yapı bütünüdür. (kuvvet taşıyıcı parçacıklar dışında)bunlarda kuarklar,leptonlar ve kuvvet taşıyıcılarından oluşur,proton ve nötron kuarklardan,elektron ise zayıf bir parçacık olan lepton grubu bir parçacığıdır ve radyoaktivite dışında bütün kimyasal olaylar burada gerçekleşir,proton + yüklü olup çekirdeğin büyük bir hacmini oluşturur ve sırasıyla nötron nötr olup proton ve elektron arası bir kütleye sahiptir,elektron ise en hafif parçacıktır bu grupta.Daha öncede bahsettiğimiz gibi,kimyasal olaylar çekirdeğin elektrona olan uzaklığı ve orbital (elektronun bulunma ihtimalinin yüksek olduğu bölgeler olarak tanımlanır genelde) kapsamında gerçekleşmesiyle oluşurlar.Bu simetri başta n kabuğu olup farklı değerde kuantum numaraları alabilir.Başkuantum sayısı katmanın çekirdeğe olan uzaklığıyla ilgili bir durumdur,bu değer n’in 1,2,3 .. gibi değerlerini alır ve bu değer yükseldikçe elektron çekirdekten uzaklaşır ve elektonu koparmak daha kolay olur vs, bu duruma ise I.iyonlaşma enerjisi denir.
Buraya kadar şimdilik bilinen temel bilgileri tekrar ettik,bundan sonra ise orbital dağılımlarının ne şekilde davrandığı konusu üzerinde duracağız,bilindiği gibi bir orbitalde spinleri farklı maksimum 2 elektron bulunur ve bu katmanlar arttıkça bu değerler 0/0/-1,0+1 gibi yörünge kuantum sayıları alır,burada üzerinde duracağımız asıl konu uyarılmış ve temel hal durumlarıdır,örneğin Hcı bileşiğini ele alalım,elektron konfügirasyonu ise şu şekilde olacaktır.
H(1)=1s1 1e verecek
CI(17)=1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 1 e alacaktır ve burada melez bir simetri yapı sergileyecektir,sonuçta HCI bileşiği oluşacaktır,molekülümüz tekli bağla bağlanmıştır lewis yapısı dolayısıyla ve polar kovalent ir bağ içerir.
Şimdi ise asıl bizi ilgilendiren konu olan simetri yapılarımızı ele alacağız,bundan önce ki konuda ‘Woodward-hoffman’ yaklaşımı adında bir kuramdan bahsetmiştik,burada esas olan şey simetriyi koruyan her yapı belirli bir yapıda bileşen oluşturacak,bu durum ise yapının daha yüksek enerjili orbital düzenini bozacaktır,burada söylemek istediğim asıl şey tek atom içeren orbitallerinde,moleküler orbitaller gibi birer simetriye sahip oluşlarıdır.Şekil ve büyüklük bağlamında bile değişime uğramış olsalarda simetrik yapılarını aynen muhafaza edeceklerdir fakat daha öncede söylediğimiz gibi,topralm enerji operatörü olan H değeri atomik orbitalin şeklini değiştirerek enerjisinde farklı bir değer almasını sağlar,bu durumda moleküler orbitalin hangi eksen koordinatında değilde hangi dalga fonksiyonunda olduğunu gösteren işaret değişebilir.Enerji durumu integral çarpımı fonksiyonunu veriğinden işaretin burada bir değeri yoktur ve değişmez,toplam enerjisi ise Ψ.HΨ şeklindedir,burada bilmemiz gereken şey esasında moleküllerin simetri eksenlerinin dalga fonksiyonlarının Ψ işareti değişse de molekülün hamiltyon dalga fonksiyonuna olan öarpımı toplam enerjiyi değiştirmez değişen sadece dalga fonksiyonudur.
Tekrar başa dönecek olursak,atomik orbital yapısı molekül simetri yapısından farklıdır,mesela dalga fonksiyonu sabitken,çarpım değeri orbitalin ekseni değiştireceğinden dolayısıyla dalga fonksiyonunun simetrisi de değişecektir.

Kaynaklar :
Modern Üniversite Kimyası (I)
Kuantum Kimyası (Prof.Dr.Zekiye Çınar)

Ziyaretçiler için gizlenmiş link,görmek için Giriş yap veya üye ol.

Harmonik Osilatör

Burada harmonik osilatör konusuna değinmeden önce bu kavramların neler olduğu konusu üzerinde durursak konuyu hem daha iyi kavramış oluruz,hem de aklımızda konuyla ilgili soru işareti kalmamış olur,harmonik hareket denilince aklımıza ilk gelen periyot,frekans,uzanım ve genlik olur genelde bu kavramları biraz daha açacak olursak,periyot;harmonik hareket yapan cismin tam salınımı sırasında geçen süredir,frekans;belli bir yerden saniyede geçen salınım hareketidir,uzanım;cismin salınım yapma hareketinin t zamanına olan uzaklığıdır,genlik ise;harmonik hareket yapan cismin denge sabitine olan en uzak mesafesidir.
Buraya kadar sadece konuyla ilgili genel tanımlar yaptık,şimdi ise konuyu genel kapsamıyla ele alabiliriz.Burada bizi ilgilendiren konu fizikten çok,kuantum kimyası ile olan bağıdır,harmonik osilatör salınım süresinde cismin potansiyel enerjisi parabolik bir değişim gösterir ve değişim sıfır noktasında durağan (dalga fonksiyonunun maksimum değerde olduğu süre) yukarı değerlere çıkınca artan boyutta kendisini gösterir.Klasik olanla yani Newton mekaniğiyle,kuantum mekaniği bu sürede bizi ilgilendiren tek konu.Bilindiği gibi Newton mekaniğinde bir cisme diğer bir cisim etki ederse buna yer çekim ivmesi kadar bir kuvvet uygulanır ve diğer cisim tarafından aynı kuvvetle itilir,bu klasik mekanikte geçerli bir anlayıştır fakat harmonik osilatör durumunda geçerli değildir,bir cisim diğerini iterken aynı zamanda kendi salınımında ki potansiyel enerjisi kadar cisme bir etki eder ve schrödinger yani kuantum mekaniğinin ünlü denkleminde dalga fonksiyonu operatörü ψtüm bu klasik mekanik değerleri matematik formülasyonların da ihtimal dahiline getirip sistemi mikro boyutta tamamen yok eder.
Buraya kadar şimdilik osilatör durumunun gerekli izahını yaptık bundan sonra ise denklemi taneciklerinde hızlarına uygulayarak matematik formülasyonunu oluşturacağız,newton’ın meşhUr F=m.a yasası,bir cisme kuvvet uygulanırsa kuvvet aynı derece bir ivme kazanır şeklinde tanımlanan yasamıza tanecik kütlesi ve zamanı da koyarsak osilatör’ün açısal hızında ki değişimi bulabiliriz.
x/t^2+k/m.x=w^2=k/m yerine koyarsak bu denklemi elde etmiş oluruz ama bu sadece açısal hız için geçerli bir durumdur,denklemde frekans formülde yerine konulursa taneciğin frekans değerini de bulmuş oluruz,bu durumda son denklemimiz şu şekilde olacaktır.
W=2πv (w=açıcal hız=cismin dairesel yörünge de taradığı açıdır kısaca)
bu durumda taneciğin titreşim durumunda ki potansiyel enerjisi her an değişebilir ve toplam linet momentum değeri de sıfır noktasında daha öncede söylediğimiz gibi,maksimum değerdedir,bu titreşim hareketine dalga fonksiyonu uygulanırsa son denklemimiz şu şeklini alacaktır.
-h^2/8π^2 m ∂^2ψ/∂x^2+1/2kx^2ψ=Eψ
Harmonik osilatör kuantum mekaniksel temelde ilginç olan boyut ise en düşük enerji seviyesinde olmasıdır.
Klasik mekanikte atomlarda hiçbir titreşim hareketi olmayabilir ama bu durum kuantum mekaniğinde imkansızdır yani tanecik sıfır noktasında bile titreşim hareketi yapmaktadır,bunu da formülasyon olarak şu şekilde gösterebiliriz.
E͵o=1/2.h.v͵o
Bununda temel nedeni ,atom konusunda bildiğimiz gibi heisenberg’in belirsizlik ilkesidir.Kuantum mekaniğinde sıfır noktasında demiştik bu halde bile tanecikte titreşim hareketi vardır ve bu durum maksimum değerde olabilir ama klasik mekanikte bu durum tam tersidir yani sıfır noktasında durağandır ve yine bu durum her iki teoriyi de birbirinden mıknatısın aynı kutupları gibi birbirinden ayırır.

Korelasyon diyagramları ve HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) kavramı

Bundan önceki konularda daha çok atomik ve moleküler yapıda orbital şemalarını incelemiştik ve hakkında denklemler oluşturmuştuk.Şimdi ise daha çok bu karmaşık yapıların nasıl bir araya gelip/reaksiyona girdiklerini açıklamaya çalışacağız kısaca.Bunun içinde ilk yardımı elektrosiklik ve siklo katılma reaksiyonlarından alacağız.Bilindiği gibi elektrosiklik reaksiyonlar,moleküler içi reaksiyonlardır ve oldukça karmaşık yapılardır,daha önce simetri konusunda da hatırlayacağım gibi,orbital simetrisi yapıları yüksek enerji seviyelerine çıkıp orbital simetrisini bozabilirken düşük enerji seviyesinde orbitaller simetrik bir yapı sergileyebilirler ve elektrosiklik reaksiyonlarda bu durumu onaylar yani elektrosiklik reaksiyonlarda durum simetrik bir yapıdadır.Örneğin çift bağ içeren bir molekülümüz olsun;bütedien ve bunun siklo yapıdaki izomeri olan siklobüten bu durumda bu yapı simetriktir ve 4 tane л elektronu vardır,bu durum dalga fonksiyonunun öngördüğü bir durumdur.Bunun dışında orbital simetrisi korunur,değil ise simetri korunmaz.Burada bizi ilgilendiren asıl konu simetri yapılarının korunmaya,yani anti-bağ yapısı düzlemiyle,bağ yapıcı düzlemin korelasyonu (iki değişken arasında ki ilişkidir kısaca) düşük enerji seviyesinden,büyük enerji seviyesine doğru bir diyagramlar simetri yapılarının bileşeni düzlemde gösterilir ve oluşan sistem,denklemde yerlerine konularak deneysel doğrularla karşılaştırma yapılır.
Şimdi ise bu orbitallerin dolu enerji seviyeleri yani HOMO kavramını açıklamaya çalışacağız.Mesela orbitallerin aynı düzlem üzerinde döndüğünü HOMO kuramıyla anlayabiliriz,burada sigma bağı tek yapıda oluşsa da esasında atomları ve molekülleri etkileyen de tek bağdır,eğer bu durum söz konusu olmasaydı,düzlem aynı yönde olmayacak ve ters yönde hareket etmesine sebep olacaktır,bu durumu onaylayan olay ise dediğimiz gibi sigma bağıdır,mesela sigma bağı farklı orbitallerde bir araya gelirse diğer orbitalde sigma bağı oluşamaz ve durumda orbital aynı düzlem üzerinde dönmeyecektir,aynı düzlem üzerinde dönmediği gibi,reaksiyonu da aynı yönde çeviremeyecektir.

Atomik orbitallerin lineer kombinasyonu

Burada konumuz ne kadarda atomik düzeyde bir kavram gibi görünse de daha ileri ki zamanda bunun moleküler düzeye çıktığını denklemlerle rahatlıkla görebilirsiniz.
Bir moleküler yapıda elektronlar eğer birbirine çok uzak mesafedeyseler kovalent bağ burada atomlar arasında oluşur ve moleküler yapılara geçtikçe bu durum güçlü etkileşimlerin yerini alarak moleküler yapıyı daha zayıf ve daha düşük bir enerji seviyeli bir etkileşime sebep olacaktır.Bu nedenden dolayı dalga fonksiyonunun da moleküler yapıyı oluşturan dalga fonksiyonunun toplamını,atomik düzeyde ki dalga fonksiyonlarının toplam değeri verecektir,bunu da şu denklemde izah edebiliriz.

ψ=c₁X₁+c₂X₂+ … + cX

Burada ψ fonksiyonunu moleküler yapı,X değeri atomik fonksiyonu,c ise katsayı değerini ifade eder.Denklemde de rahatlıkla görebileceğimiz gibi toplam atomik dalga fonksiyonu moleküler fonksiyonunun tam değerini verecektir (tabi katsayı değeri doğru yazıldıysa) bu durumu sağlayan tüm fonksiyonlar moleküler dalga fonksiyonunun tam değerini verecektir,aksi durumda tam değer fonksiyonunu sağlamayacaktır.
Ayrıca moleküler yapı bütün orbital sistemlerinde ve elektronların davranış şekillerinde ki tüm özellikleri gösterecektir,bu durumda elektron belirli kuantum sayılarına,enerji düzeylerine ve spin kuantum sayılarına sahip olacaktır,örneğin pauli dışarlama ilkesi,hund kuralı gibi.
Bu durumu daha iyi kavramak için atomik ve moleküler dalga fonksiyonu değerini O2 (oksijen gazı) molekülüyle açıklamaya çalışalım,örneğin H2 molekülünü ele alalım,burada 2 elektron durumu fonksiyonu

ψ=c₁X₁+c₂X₂

şeklinde olacaktır,fakat daha öncede söylediğimiz gibi,kat sayı değerleri tam değer vermesi için katsayı değerlerinin doğru yazılması gerekir bu durumda molekülün schrödinger denkleminde molekül enerjisinin toplam değeri bize doğru kat sayıyı verecektir.
Burada da önce denklemi yazıp daha sonrada ne olduğunu açıklayacağız.

E=c₁²H₁₁+2c₁c₂H₁₂+c₂²H₂₂/c₁²S₁₁+2c₁c₂S₂₂+c₂²S₂₂

Burada E bilindiği gibi parçacığın toplam enerji miktarı (kin.+pot.),c katsayı,H hamiltonyen operatörü ve S determinant katsayı değerleri olarak karşımıza çıkar,burada bilmemiz gereken tek şey ise,molekülün normal değerde ki enerjisinin minimum düzeyde oluşu kat sayı değerlerinin toplam enerji miktarının değerlerini vermesiyle de doğru orantılıdır.Bunu da matematiksel olarak

c₁ değeri için dE/dc₁=0
c₂ değeri için dE/dc₂=0

belirlenir,d burada bir operatördür ve diğer toplam enerji değerlerini karşılayacak durumdadır faakt bu E değeri moleküler sistemde tam değeri vermeyebilir sebebi ise ilk denklemimizin toplam enerji düzeyinin lineer dalga fonksiyonunda bir değere sahip olması,diğer durumda ise enerji düzeyi bu değerinin değişen parabolik dalga fonksiyonlarında farklı değerler almasıdır.

Moleküllerin schrödinger eşitliği

Bundan önceki konularda daha çok atomik boyutta ki matematiksel formülasyon denklemlerini görmüştük ve bu temeli genelde schrödinger denklemleri oluşturuyordu,şimdi ise bu denklemlerin schrödinger denklemlerinde nasıl yetersiz olduklarını ve schrödinger denklemlerinin moleküllerin her bir atomunda ki elektron ve proton başına düşen çekim gücünün molekülde ne tür bir denklem oluşturduğu göreceğiz.
Bilindiği gibi bir molekülün toplam enerji denklemi

E=∫ψ.Hψ.dT

şeklinde ifade edilir,fakat bu durum ψ fonksiyonu yerine yaklaşık bir dalga fonksiyonu kullanır ise,kullanılmadığı durumda integralin değeri toplam molekülün enerjisinden yüksek olacaktır ve denklem dalga fonksiyonunun gerçek değerini yansıtmayacaktır.Bir molekülde en düşük enerji seviyesi dalga fonksiyonun da eşit değer vermesi demektir,bunu da şu denklemde ifade edebiliriz.

∫Φ:HΦd τ >E₀

bu denkleme aynı zamanda ‘’varyasyon denklemi’’de denir,bu denklemde moleküllerin dalga fonksiyonları daha kolay hesaplanır.Burada doğru değeri verecek denklemi sağlayan koşullar,molekülün Φ (phi) fonksiyonu tahmini değerinin yazılması,daha sonra ise eşitliğin integral değerinin minimum katsayılarının belirlenmesi (burada integralin minimum değeri,molekülün enerjisinden yüksektir,fakat bu durum enerji düzeyine oldukça yakın olduğundan,değerler önemsenmez.)
Burada kadar şimdilik molekülün gerçek değer fonksiyonu vermesi üzerine denklemler oluşturduk,bundan sonra ise moleküler yapıların proton ve elektron değerlerinin değişkenlikleri üzerine denklemler oluşturup hesaplama yapacağız.
Mesela bağ yapısı paylaşılmış olan bir kovalent bağ düşünelim,en belirgin yapı H2’nin (hidrojen molekülü) kovalent bağ durumu,molekülü her iki taraftan çeken kuvvet merkeze eşit olacaktır.Bunu da şu denklemde izah edebiliriz.

V=e²/rA-e²/rB+e²/rAB

Bu denkleme de schrödinger eşitliği eklenirse

-h²/8π²ψ ∇²ψ+(-e²/rA-e²rB+e²/rAB)ψ=Eψ

Denklemi ortaya çıkar.(Gradyan vektörü denklemin eşit değer operatörüdür burada)
Bu durumda eşit olan çekim gücü bütün enerji değerlerini de içinde barındırır itme-çekme,coulomb,toplam enerji değerleri vs.H2 molekülünün (kovalent bağ yapısına bu molekülü örnek vermiştik bir önce ki paragrafta) 1 elektron ve 2 proton tarafından çekildiğinden,toplamda atomu 3 değişken eğrisi alarak molekül değeri hesaplanır,bu durumda H2 molekülünün bağımsız değişken sayısı her atom için 3: 2 molekül yapısı için 6 değişken değerdir.Buna yüksek moleküllü bir bileşik örneği de verebiliriz,örneğin benzen (C6H6) molekülü olsun bu bileşiğimiz.
Molekül formülümüz (C6H6) bu durumda molekülümüzün bağımsız değişken sayısı
C6=6.6+6.1=36+6=42 çekirdek 42.3=126 elektronu bulunur fakat bu durum denklemde değiştiği için sadece elektronun verdiği bağımsız değişken değeri sabit değer olarak alınır,bu durumda değişken değer sabitimiz 126 dır benzen molekülde fakat durum tam değeri vermediği için molekülün orbital konumunu bu duruma ek olarak destekleyici konu olarak durumu daha iyi bir şekilde açıklamak ve gerçek değere yakın fonksiyon değerini vermesi için kullanılır sadece.

Ψ fonksiyonu

Bundan önceki konularda daha çok dalga fonksiyonu eşitliğini sağlayan operatörler karşılığına ψ fonksiyonunu kullanmıştık.Şimdi ise bu dalga fonksiyonunun parçacıkların enerjisini ve koordinat değerlerini ne şekilde değiştirdiği konusu üzerinde duracağız.
Bilindiği gibi bir parçacığın toplam kinetik ve potansiyel enerji fonksiyonu toplam değeri E operatörü ile gösterilir ve yine kinetik enerji operatörü K,potansiyel enerji ise V operatörüyle gösterilir,fakat burada bilmemiz gereken bir şey vardır,bu durumda potansiyel enerji koordinatlarının V değerine (x,y,z) eşit olması durumudur.Peki bu ne anlama geliyor? Schrödinger eşitliğinde bilindiği gibi h² değerinin 8π² bölümüne olan değeri yerine toplamda enerji fonksiyonunu karşılayacak 4π² alması ve toplamda dalga fonksiyonunun ψ fonksiyonu kadar parabolik eksende yukarı değere çıkarması ve bu durumda parçacığın bulunma ihtimalinin yüksek değerlere çıkması demektir.Buradan çıkan denklem

Eψ=Kψ+Vψ

Şeklini alır ve bu değerler toplamı parçacığın kinetik ve potansiyel enerjisine eşit olur.
Bu eşitliğin ikinci dereceden diferansiyel çözümü genelde kompleks fonksiyonu verir,fakat bir tek yapı dolayısıyla ψ fonksiyonu ψ* eşlenik fonksiyonuyla çarpılması gerekir ve bu durumda denklem

ψ*Eψ=ψ*Kψ+ψ*Vψ

şeklini alır.
Daha öncede bahsettiğimiz gibi,potansiyel enerjinin koordinat sistemde olan değeri x,y,z olarak belirlendiğinde ve eşlenik fonksiyonun yerine konduğunda şu eşitliğimizi elde etmiş oluruz.

ψ*Kψ+V (x,y,z,) IψI²

Fakat bu denklemde birim hacim önemsenmez ve hacim elemanı dτ İLE çarpılırsa ancak birim hacimde ki yüksek ihtimale değerine ulaşılır.Bu durumda fonksiyonumuz şu şeklini alacaktır.

EIψI². Dτ=ψ*K. dτ+V (x,y,z) IψI². dτ

Burada IψI² değeri birim hacimde ki ihtimal durumunu ifade eder ve diğer sağ tarafta ki terimler ise daha önce de söylediğimiz gibi x,y,z koordinatlarında parçacığın potansiyel enerjisi ile,bu parçacığın herhangi bir yerde bulunma ihtimalinin çarpım değeridir.Sistemde koordinatların integrali alınırsa da ikinci parçacığın ortalama potansiyel enerjisine ulaşmış oluruz.Parçacığın ayrıca burada bulunma ihtimali

IψI². dτ=1

Şeklinde olur ise parçacık burada bulunmak zorundadır.Bu durumda parçacığın normalizasyon şartı,parçacığın hacim elemanının yoğunluk durumunun birim hacimde ki olasılığyla çarpım durumunda olmasıdır,bu değerde zaten 1’e eşittir ve bu durumda parçacık burada bulunma durumundadır,normalize şartına uyan bütün denklemler de aynı zamanda şu şartları da beraberinde getirmelidir.

E=∫ψ*Kψ. dτ+∫ ψ* Vψ. dτ

Bu değerlerin yerini hamiltonyen operatörü alırsa ve schrödinger denklemine uyarlanırsa,denklemimiz toplam enerji değerini karşılayacaktır.

H=−h²/8π² (∂²/∂x²+∂²/∂y²+∂²/∂z²) + V (x,y,z)

Bu denkleminde diferansiyel operatör toplamı alınırsa,gradyan operatörü şeklini alır ve denklem en nihayetinde şu şeklin alacak ve

∇²=∂²/∂x²+∂²/∂y²+∂²/∂z²

Denkleminde gradyan operatörüne eşit değerde olacaktır.

Moleküler yapılarda hückel yaklaşımı

Moleküler yapıların bir başka etki alanı da moleküler yapıların i.j atomlarının çakışması olan integrallerin yaklaşık değerlerini vermesidir.Peki bu ne anlama geliyor?
Bundan önceki konularda daha çok moleküler yapıların schrödinger eşitlikleri çıkarılıp ve operatörlere uygulanıp moleküllerin lineer kombinasyonlarının değer tablolarını oluşturmuştuk,şimdi ise bu moleküllerin karşı etkileşimleri sonucu orada ne şekilde bulunup veya bulunmadığını integral değerini alarak bu denklemleri elektronların çakışması durumlarını ele alarak açıklamaya çalışacağız.
Bilindiği gibi bir atomda bir parçacığın yerinin bilinmesi o parçacığa başka bir parçacığın etki etmesi ile açığa çıkması durumudur.Burada eğer gerçekten bir parçacık varsa bu bir etkileşim içinde olacak ve burada bir parçacığın varlığından söz edebileceğiz.
Parçacığı şu denklemde yerine koyarsak durumu matematiksel formülasyonda daha iyi kavramış oluruz.

S(ij)=∫X(i)X(j).dτ

Bu denklemi de açacak olursak ; (S seküler determinant yani dalga fonksiyonu determinantın katsayı değeri ise bu ismi alır,i ve j değerleri ise parçacığın atomda bulunma olasılıkları, dτ ise birim elemanı simgeler.)
Örneğin elektronların atomda bulunma olasılığı çakışma integrallerinin orbitalde dalga fonksiyonlarında bulundukları durum şu denklemle izah edilebilir.

İ=j, S(ij)=∫X(i)X(j).dτ=1

Burada değer tablosu sadece 1 elektronlu atomları için geçerlidir (yani kısaca hidrojen atomu için geçerlidir) fakat bu değer i≠j olması durumu ise birden çok atomun orbitalleri için kullanılabilir,ayrıca atomların birbirinden uzaklaşması da parçacığın etkileşimini sıfır değerine daha fazla yaklaştırır ve orada parçacığın bulunma olasılığı düşer,İşte hückel yaklaşımı da tam olarak bu durumu izah eder yani i ve j farklı atomlar olduklarından çakışma ihtimalleri sıfır olarak kabul edilir.
Aslında burada değer tablosu sıfır dahi göstermiş olsa burada atomlar arasında bir bağın olmadığı sonucu çıkmamalı fakat bu değer denklemde sıfır olarak kabul edildiğinden bu hesaplamalar moleküler orbital değerlerini fazla etkilemez ve değer tablosunu pek fazla değiştirmez.
Örneğin i ve j atomları birbirine etki etmediği konumu vardır ve bu durum coulomb kuvvetinin değer tablosunda integral değeri çekirdeğin yüküne ve orbitalin cinsine bağlı olduğından molekülün enerjisinde olası bir değer değişime sebep olmayacaktır.
Bunu da şu denklemde yerine koyarsak konuyu daha iyi kavramış oluruz.

i≠j= H(ij)=∫X(i)X(j).dτ=β

Burada atomların bulunma ihtimalleri ile çarpım durumu ve birim eleman değeri,bize parçacığın rezonans integral tablosunun değerini verecektir.
Rezonans integral değeri de atomlar arasında ki uzaklığın artması veya azalması ile değişir ve etkileşim hangi değerde fazla ise rezonans integrali değeri de aynı derece de yükselir ve aksi durumda düşer,daha öncede söylediğimiz gibi hückel yaklaşımı sıfır olarak kabul edilir ve

i≠j= S(ij)=∫X(i)X(j).dτ=0
değerini alır.

Eğer çok atomlu bir molekülde bütün bağlar eşit ise,rezonans integralleri birbirinin aynı ise bu bağların uzunluları da birbirine eşittir yani bur durumda atom ve moleküller aynı cins bağlardan ve orbitallerden meydana gelmiş demektir,coulomb kuvveti ve rezonans integralleri elektronu gösterdiğinden dolayı bu değerler ayrıca negatif de bir büyüklüktedirler.

Elektrosiklik ve siklo katılma reaksiyonları

Organik kimyada bilindiği gibi reaksiyonlar çeşitlilik gösterir ve bu çeşitlilikleri açıklamak oldukça zordur.Genelde reaksiyon mekanizmalarını organik kimya açıklamış gibi görünse de esasında bilimlerin de ayrıca temeli de sayılan kuantum mekaniği (kimyası) açıklamaktadır.Peki bunu nasıl yapmaktadır? Organik kimya reaksiyonları daha önce ki bir çok yazımızda da hatırlayacağımız gibi,asitmetrik yapıların yüksek enerji seviylerine çıkması ve belirsizliği de arttırması durumun da bileşik hakkında kesin bir hüküm veremememizin de bir etkeni sayılabilir.Bu etken moleküllerin σ ve π bağlarının farklı düzen ve bağlanış şekilleri bu simetrileri bozabilir de bozmayabilir de,bu durum da korunan simetri durumlarını açıklamak,elektrosiklik reaksiyonları kapsadığından konumuzu bunun üzerinde yoğunlaştıracağız,işte bu korunan simetri reaksiyonları da elektrosiklik reaksiyonların bir tanımıdır.Şimdi ise geldik asıl konumuz olan elektrosiklik reaksiyonların gerçekleşme mekanizmalarına.
Elektrosiklik reaksiyonlar moleküller içi siklo katılma reaksiyonlarıdır yani moleküller arasında geçen reaksiyonlardır.Reaksiyon basamağı burada düşük enerji seviyesinde olduğu için simetri aynen korunur.Bu reaksiyonlarda σ bağı oluşurken π bağlarının uç kısımlarında oluşur bu durumda reaksiyon moleküller arasında gerçekleştiğinden zincir şeklinde ki yapılar σ bağlarının açılmasıyla π elektronlu zincirler haline dönüşür.
Bu uç kısımlar simetrik yapının aynı ve zıt yönlü oluşmasıyla da başka bileşiklerinin izomerlerini oluşturmasına neden olur.Ayrıca her bağ yapıcı orbitallerin dönüş açıları diğer bileşikleri de oluşturmasının diğer bir etkenidir,bu ne anlama geliyor peki ? Örneğin 360®lik bir açı düşünelim bu açının 90®lik açısı ile diğer 90®lik açısı bir σ ve π bağları,diğer 90+90=180® olan tarafı ise eşlenik anti bağ yapıları bileşiğin ne şekilde oluşacağı hakkında bize bilgi verir.
Burada kitabımda bütadien ve siklobütan moleküllerinin orbitalleri üzerinde örnek verilmiş,bende konuyu daha fazla bulandırmamak için bu örneklerden yola çıkarak konuyu daha kapsamlı olarak ele almaya çalışacağım.
Bir önce ki konuda σ bağlarının oluşumu ve π elektronlarının ne şekilde oluştuğunu kısaca anlatmıştık şimdi ise bu durumu onaylayan orbitallerin ne şekilde davrandığı konusu üzerinde yoğunlaşacağız.
Örneğin bir bütadien bileşiğini düşünelim ve bunun yapı izomeri olan siklobüteni ,burada bir bileşiğin hangi durumda olduğunu orbitallerin σ ve π bağlarının kaç derece açıyla oluştuğunu ve zıt yönleri hangi bileşiğin aldığını şu şekilde öğrenebiliriz.Bütadien molekülümüzün uç kısımlarında dört π elektronu bulunur ve bunlar iki bağ,iki anti bağ yapılarından oluşur,en nihayetinde izomeri olan siklobütenin kutupsal bağ oluşumu tek yapıyla ve zıt eksenle karşılayacaktır bu durumda kutupsal eksen tam zıt eksen olacaktır,bağ yapıcı kutuplar ise aynı eksen üzerinde dönen orbitallerle bağ yapamazlar diğer dönme eksenleri ise σ bağlarını oluştururlar,aynı şekil zıt kutuplu orbitaller de aynı zamanda π bağlarını oluşturamazlar,her iki orbital de aynı yönde dönemezler ve en nihayetinde anti bağ yapılarının zıt yönde dönmelerinin de imkansız olduğunu sonucu çıkar burada ve ayrıca bu durum bağ yapıcı orbitallerin tam eksenleri içinde geçerlidir.

Siklo katılma reaksiyonları

Bundan önceki elektrosiklik konusunda siklo katılma reaksiyonlarının moleküller arasında gerçekleştiğini söylemiştik.Şimdi ise bu reaksiyonların σ ve π bağlarının aynı yönde ve zıt yönde katılma reaksiyonlarını inceleyeceğiz.
Bir siklo katılma reaksiyonu gerçekleşirken m tane π ve n tane π elektronlu katılma gerçekleşir ve bu reaksiyon Woodward-Hoffmann yaklaşımına uyar,bu durumda toplam da m+n reaksiyonları gerçekleşecektir.
Örneğin Diels-Alder reaksiyonları da birer (4+2) siklo katılma reaksiyonlarıdır,siklo reaksiyonlarında bir halka oluşurken iki σ oluşur ve en az iki de π bağı kırılır,burada reaksiyon aynı yönde gerçekleşmiş ise bu durum supra ‘s’ zıt yönde gerçekleşmiş ise astara ‘a’ adını alır ve iki molekülün oluşturduğu reaksiyonlarda toplam dört kombinasyonu verir,bu sayı dört’e çıkarsa kombinasyon sayısı da sekiz ‘i gösterecektir.Eğer burada bir simetri korunumu var ise,orbitalin bağ yapıcı σ bağları buraya yerleştirilir.Daha sonra σ bağlarının bütün elektronları orbitallere tam olarak yerleştiriliyorsa,burada siklo katılma reaksiyonlarının orbital simetrileri korunmuş demektir.Bu durumu koruyan diğer bir unsur ise hangi katılma reaksiyonlarının simetri oluşturduğu veya oluşturmadığıdır.Burada supra ve astara reaksiyonlarının tek yönde olmaları simetriyi bozar yani (2s+2s) durumu,aynı şekilde (2a+2a) durumları da simetriyi bozar,en nihayetinde her iki yönde gerçekleşen katılma reaksiyonları bu simetriyi bozmayacaktır (2s+2a) ve reaksiyon tek yönlü doğrusal olarak gerçekleşecektir.

Titreşim ve dönme spektrumları

Elektromanyetik spektrumlarda bir molekül titreşim halindeyken bu enerji geçişleri arasındaki titreşim sayıları molekülün toplam enerji değerlerini verir,bu değerlere dönme spektrumların enerji seviyeleri de eklenince tek başına titreşim hareketleri tam değer vermez bize molekül hakkında,bu durumda kızıl ötesi (IR) ışınların bölgesinde titreşim ve dönme bantları oluşacak ve bu bantlar bir dizi çizgiler içerecektir,bu çizgilerinde toplam enerji değerlerini bu denklemimiz

E(tit-dön)=(S+½) hv(o) + J(J+1) h²/8π²I

verecektir
Bu bantlarda ayrıca 2 bölüm oluşur ve bu bölümler R ve P olarak ikiye ayrılır,bu değer sıfır olmadığı için R ve P bölümleri sağ ve sol kısmı oluşturur,bu durumda titreşim ve dönme spektrumları sıfır değerini alamayacaktır,bu değeri alamadığı gibi denklemimizde de herhangi bir etkiye sahip olamayacaktır.
Titreşim ve dönme spektrumları frekanslarından dolayı da molekülde dipol moment oluşur,titreşim ve dönme hareketi yapan molekül enerji geçişlerini ya absorblar yada yayınlar,bu durumda molekülün dipol momentinin değişmesi demektir.Örneğin dipol moment iki atomlu moleküllerde sıfır olduğu için burada herhangi bir enerji absorblama ve yayınlanma durumu olmaz,bunu ancak farklı atomlarıın molekülleri oluşturabilir.Dipol moment +/- kutup oluşturduğu için de bu değer dipol momentin değer tablosu için geçerli olan bir durum olur.Örneğin burada eylemsizlik momenti durumu söz konusu olursa

I=m₁.m₂/(m₁+m₂) r²

Denklemi açığa çıkar.Burada m₁,m₂ atomların toplam kütleleri,r yarıçap ve I eylemsizlik momentidir.Daha önce titreşim ve dönme hareketlerinin oluşturduğu bant kısımları ve bunun R ve P bölümlerini oluşturan durumundan bahsetmiştik,eğer dipol moment farklı moleküllerde simetri değerini verirse R ve P,eğer bükülme hareketi de yaparsa bunu da Q bandının bir bölümü olarak ele almaktayız demektir.