Atomun Yapısı, Periyodik Çizelge, Kimyasal Bağlar ve Moleküller Arası Etkileşimler

Çözme, buharlaştırma, süzme, eleme vb. birtakım fiziksel işlemler ile daha basit maddelere dönüştürülemeyen, yani özellikleri mikroskopik boyutlarda bile aynı olan maddeler saf maddeler olarak tanımlanmaktadır.

Madde düşünülemeyecek kadar küçük parçacıklardan oluşmaktadır ve bir elementin en küçük parçacığına atom denir. Atomlar, birtakım enerjilerle uyarılırlar, daha sonra uyarılmış bu atomlar bu enerjiyi farklı renkli ışınlar olarak geri verirler.

Atom için ilk bilimsel tanı John Dalton tarafından ondokuzuncu yüzyılın başlarında yapılmıştır. Ona göre atomlar, her element için farklı katı ve sert küreler olup bu küreler bölünememektedir. Joseph John Thomson, yaptığı deneylerde gaz atomlarının elektron yüklerinin kütlesine oranını hesaplayarak elektronu keşfetmiş, elektron verdiğinde de atomun pozitif yük kazanacağını ispatlamıştır. Atom içerisinde proton ve elektronların homojen olarak dağıldığını iddia etmiştir.

Kuantum fiziği ile ilgili çalışmalar Erwin Schrödinger ve Werner Heisenberg’in de aralarında olduğu yirminci yüzyıl bilim insanları tarafından yapılmıştır.

Dalga fonksiyonunun karesi (Ψ²), atom çekirdeği etrafındaki üç boyutlu uzayda elektron yoğunluğu dağılımını göstermektedir ve elektronun bulunma olasılığının yüksek olduğu bölgeler atom orbitalleri olarak adlandırılmaktadır.

Pauli İlkesi’ne göre, bir orbitalde en fazla iki elektron bulunabilir ve bu elektronlar birbirlerine zıt spinlerde yönelmiş olmalıdır. Bu ilke bir atomda dört kuantum sayısı da birbiri ile aynı olan iki elektron bulunamaz şeklinde de ifade edilir. 

Hund Kuralı’na göre bir alt kabuktaki elektronların en kararlı dağılımı en fazla paralel spin içeren haldir, yani elektronlar eş enerjili orbitallere önce paralel spinli olarak tek tek yerleşir ve sonra kalan elektronlar zıt spinli olarak yerleşir.

Elektronların orbitallere yerleştirilmesi sonucunda elektronların tek veya çift olması atom ve moleküllerin magnetik özelliklerini etkiler. Çiftleşmiş elektron dizilimine sahip olanlar magnetik alan tarafından etkilenmezler ve diyamanyetik olarak adlandırılırlar. Orbitallerinde ciftleşmemiş elektronlara sahip olanlar ise spini bir yöne doğru olan elektronlar bir magnetik alan oluşturur ve paramanyetik olarak adlandırılırlar.

Baş kuantum sayısı en yüksek olan kabuktaki elektronlara değerlik elektronları adı verilir ve değerlik elektron sayısı elementin periyodik çizelgedeki yerini belirler.

Periyodik çizelge, elementlerin molekülleri oluştururken kullandıkları elektronların yerleştikleri orbitallere göre, s- bloğu, p- bloğu, d- bloğu ve f- bloğu olmak üzere dört blok halindedir. 1A ve 2A grubu elementlerinde s alt kabuğu doludur . 3A-7A ve 8A grubu elementlerinde p alt kabuklarının doluluğu artmaktadır ve p-bloğu elementleri olarak bilinirler. 1B-8B grubu temel geçiş elementleri d-bloğunu oluştururlar. 4f ve 5f alt kabuklarının da dolmasıyla iç geçiş elementi olan lantanit ve aktinitler de f-bloğunu oluşturmaktadır. s, p, d veya f bloklarında bulunmalarına göre elementler benzer özellikler taşımaktadırlar. Bu elementler A veya B alt gruplarında olmalarına göre de incelenebilmektedir. 

Periyodik Çizelgede 1A-8A grubu elementleridir (s ve p bloğu elementleri). Metaller ve ametaller olmak üzere iki gruba ayrılırlar. En dış kabuklarında bulunan elektron sayısı yani değerlik elektron sayısı grup numarasına karşılık gelmektedir. Molekülleri oluştururken, metaller değerlik kabuklarından elektron vererek pozitif yüklü iyonlar olan katyonları, ametaller ise değerlik kabuklarına elektron alarak negatif yüklü iyonlar olan anyonları oluştururlar.

Periyodik Çizelgede d ve f bloğu elementleri (B grubu elementleri) geçiş elementleri olarak adlandırılırlar. Bunlar çoğunluğu paramagnetik özellik gösteren metallerdir. d-bloğunu oluşturan 1B-8B grubu elementler temel geçiş metalleri olarak da bilinirler. Periyodik çizelgenin altında bulunan iç geçiş elementlerinden 6. ve 7. periyot elementleri sırasıyla lantanitler ve aktinitler olarak adlandırılırlar.

Bir molekül oluşturmak üzere iki atom arasında gerçekleşen etkileşim kimyasal bağ olarak tanımlanır. Molekülleri ve formüllerini, elementlerin çok atomlu moleküller oluşturmalarını, moleküllerin farklı fiziksel özelliklerini ve daha birçok davranışlarını açıklayabilmek için kimyasal bağlanmayı ve diğer etkileşimleri anlamak gerekmektedir. Kimyasal bağ, atomları belli uzaklıklarda ve belli açılarda bir arada tutmaya yetecek kuvvettir. Bu atomlardan oluşan moleküller arasında da moleküller arası etkileşim kuvvetleri söz konusudur.  Temel olarak kimyasal bağlar iyonik bağ, kovalent bağ ve metalik bağ olarak gruplandırılabilir. Kimyasal bağlanmayı açıklamak üzere, moleküllerin Lewis formüllerinin yazılması ve moleküllerin geometrik şekillerinin belirlenmesi uygulamada önemlidir.  

Atomlar molekülleri oluşturmak üzere bir araya geldiklerinde değerlik kabuklarındaki değerlik elektronları etkileşir. Lewis sembolleri atomları, sadece değerlik elektronları kullanılarak göstermek için kullanılmaktadır. Lewis sembolü, elementin simgesi etrafına değerlik elektron sayısı kadar nokta yerleştirilerek yazılır.Atomlardan oluşan pozitif ve negatif yüklü iyonların gösterimi için de, sahip oldukları yeni elektron dizilimi kullanılarak, Lewis sembolleri kullanılabilmektedir.

Bir iyonik bileşiğin formülünü belirlemek için, metal atomunun Lewis sembolündeki noktalar ametalin Lewis sembolündeki noktalara ilave edilerek değerlik elektronları sekize tamamlanır ve iyonların yükleri yazılır.

İyonik bağ, bir atomun değerlik kabuğundaki bir veya birden fazla elektronun diğer bir atomun değerlik kabuğuna geçmesiyle oluşan kimyasal bağdır. Bu bağ oluşumunda elektron veren pozitif iyon (katyon) kazanan ise negatif iyon (anyon) hâline gelir ve aslında etkileşim zıt yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik etkileşimdir. İyonik bağlar ile oluşan moleküller iyonik bileşiklerdir.İyonik bağ ile oluşan bileşikler oda sıcaklığında katı halde bulunurlar. 

İyonik katılar kendilerini oluşturan anyon ve katyonların düzenli bir biçimde yan yana gelerek oluşturdukları yapılardır ve kristal katılar olarak bilinirler. İyonik katıların kırılganlık, erime noktası ve kaynama noktası gibi gibi özelliklerini zıt yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik çekim kuvvetinin büyüklüğü belirler. Kuvvetli çekim ve elektronlar arası itmelerden dolayı kırılgan özellik gösterirler. Ayrıca bu düzenli istiflelen iyonları eritmek ve kaynatmak yüksek sıcaklık gerektirir. İyonik bileşikler katı halde elektriği iletmez. İyonik katılar suda çözündüğü zaman iyonlar su molekülleri sarılarak birbirinden ayrılır ve bu hareketli iyonlar elektriği iletirler. İyonlar arası çekim kuvvetinin çok büyük olduğu bazı iyonik katılar suda çözünmezler. İnsan ve hayvan iskeleti suda çözünmeyen iyonik bir katı olan kalsiyum fosfattan oluşmuştur.

Moleküller arası etkileşimler, bir maddenin erime noktası, kaynama noktası, çözünürlüğü vb. fiziksel özelliklerini belirleyen etkileşimlerdir. Bu etkileşimler en temel olarak London Kuvvetleri, Dipol-Dipol Etkileşimleri ve Hidrojen Bağı olmak üzere üç ana grupta incelenmektedir.

Apolar moleküller arasında etkin olan tek kuvvet olan bu etkileşim türü, atomlarda ve moleküllerde, elektronların hareketli parçacıklar olması nedeniyle anlık olarak atom veya molekülün bir tarafında daha yoğun olmasıyla oluşur. Bu durumda anlık olarak atom veya molekülün bir tarafı kısmi negatif (δ-) yüklenirken diğer tarafı kısmi pozitif (δ+) yükle yüklenir ve anlık dipol oluşur. Bu anlık dipol nedeniyle atom veya molekülün yakınındaki atom veya moleküllerin elektronlarını çekerek veya iterek onların üzerinde de bir dipol oluşturur. Bu geçici dipole indüklenmiş dipol adı verilmektedir. Oluşan indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri London etkileşimleri olarak adlandırılır ve bu tür indüklenmeler apolar olmayan moleküllerde de gözleneceğinden bu etkileşimler tüm moleküller arasında mevcuttur.Moleküller veya atomlar arasında belli bir anda bu şekilde oluşan London kuvvetleri sürekli olmayıp çok kısa sürede ortadan kalkarlar ancak aynı anda moleküller veya atomlar arasında benzer başka London kuvvetleri oluşur. 

Dipol-dipol kuvvetleri dipol momente sahip olan polar moleküller arasında gözlenen çekim kuvvetleridir. Polar bir molekülün kısmi pozitif tarafı diğer bir polar molekülün kısmi negatif tarafına yakın olduğunda bu iki molekül birbirini çeker. İki polar molekül arasındaki bu elektrostatik çekimin sonucunda oluşan kuvvete dipol-dipol kuvveti adı verilir. Dipol-dipol etkileşim kuvvetlerinin gücü, bağ dipollerinin büyüklüğüne ve molekülün geometrisine bağlıdır. Dipol-dipol etkileşimi sadece aynı tür moleküller arasında değil farklı tür moleküller arasında da bulunabilir.