Periyodik Tablonun Oluşturulması | Teknoloji Dünyası
Periyodik tabloda elementler artan atom numarasına göre dizilir. Bir elektron kabuğu dolup yeni bir elektron kabuğu dolmaya başladığında yeni bir satıra geçilir. Atomların gruplardaki yerini belirleyense elektron dizilimleridir. Aynı gruplarda yer alan atomların elektron dizilimlerindeki son orbitalde aynı sayıda elektron vardır. Örneğin aynı grupta yer alan sodyum ve potasyumun elektron dizilimleri s1 ile biter.
Periyodik tablo dört bloktan oluşur. İlk iki grupta yer alan ve atomlarının elektron dizilimleri s orbitaliyle biten elementler s bloğunu, 3-12. gruplarda yer alan ve atomlarının elektron dizilimleri d orbitaliyle biten elementler d bloğunu, 13-18. gruplarda yer alan ve atomlarının elektron dizilimleri p orbitaliyle biten elementler p bloğunu, tablonun en altındaki bağımsız iki satırda yer alan ve atomlarının elektron dizilimi f orbitaliyle biten elementlerse f bloğunu oluşturur.
Genel olarak, aynı grupta yer alan elementler benzer kimyasal özelliklere sahiptir. Ayrıca d bloğu ve f bloğundaki elementler söz konusu olduğunda aynı satır içinde de benzer kimyasal özelliklere rastlanır. Dolayısıyla, bir elementin periyodik tablodaki konumuna ve çevresindeki diğer elementlere bakarak kimyasal özellikleri hakkında çıkarımlar yapmak mümkündür. Hatta Mendeleyev bu sayede pek çok elementin özelliğini daha elementler keşfedilmeden önce, kabaca da olsa, tahmin etmeyi başarmıştı.
Tablo ile İlgili Tartışmalar
Helyum: Helyum atomlarının çekirdeğinde 2 proton vardır. Dolayısıyla Madelung kuralına göre nötr helyum atomlarının elektron dizilimi 1s2’dir. Elektronların doldurduğu tek orbital bir s orbitali olduğu ve bu orbitalde 2 elektron olduğu için helyumun s bloğunun ikinci grubunda yer alması gerekir. Bazı periyodik tablolarda da zaten helyum periyodik tablonun 2. grubunun en üstüne yerleştirilir. Ancak periyodik tabloların büyük çoğunluğunda helyum 2. grupta değil 18. grupta yer alır. Bu tercihin sebebi, helyumun kimyasal özelliklerinin 2. grupta yer alan magnezyum ve kalsiyum gibi elementlere hiç benzememesidir. Helyum atomundaki tüm elektronlar 1. elektron kabuğunda yer alır. Bu kabukta yalnızca bir s orbitali vardır; p, d ve f orbitalleri yoktur.
Bir s orbitalinde en fazla iki elektron bulunabileceği için, bu durum helyumun valans kabuğunun (kimyasal tepkimelerde yer alan elektronların bulunduğu, en yüksek seviyeli elektron kabuğunun) tamamen dolu olduğu anlamına gelir. İkinci grupta yer alan kalsiyum ve magnezyum gibi metallerin valans kabuğu ise tamamen dolu değildir. İkinci satır, ikinci sütunda yer alan magnezyumun valans kabuğunda üç boş p orbitali; üçüncü satır, ikinci sütunda yer alan kalsiyumun valans kabuğundaysa üç boş p orbitali ve 5 boş d orbitali vardır. Bu boş orbitaller magnezyum, kalsiyum ve aynı grupta yer alan diğer elementlerin kimyasal tepkimelere hayli istekli olmasının ana nedenidir. Kimya ile ilgili temel bir kural, atomlarının valans kabuklarını tamamen dolu ya da tamamen boş hâle getirme eğiliminde olduklarıdır. Valans kabuğu neredeyse tamamen dolu olan atomlar (örneğin, periyodik tablonun on yedinci grubunda yer alan halojenler) kimyasal tepkimelerde dışarıdan elektron alarak valans kabuklarını tamamen doldurmaya çalışırlar. Valans kabukları neredeyse tamamen boş alan sodyum, potasyum, kalsiyum ve magnezyum gibi metallerse kimyasal tepkimelerde elektron vererek valans kabuklarını tamamen boşaltmaya çalışırlar. Helyum ise soygaz olarak adlandırılan elementlerin bir örneğidir. Bu elementler valans kabukları tamamen dolu olduğu için kimyasal tepkimelere girmeye karşı hayli isteksizdir. Bu yüzden helyum periyodik tabloların büyük çoğunluğunda kendisiyle benzer kimyasal özelliklere sahip neon ve argon gibi diğer soygazların yer aldığı on sekizinci grupta yer alır.
Hidrojen: En hafif element olan hidrojenin atom çekirdeğinde sadece bir proton bulunur. Dolayısıyla Madelung kuralına göre nötr hidrojen atomlarının elektron dizilimi 1s1’dir. Dolayısıyla elektron dizilimine bakıldığında hidrojenin s bloğunun birinci grubunda yer alması gerekir. Periyodik tabloların büyük çoğunluğunda da durum budur. Ancak hidrojenin kimyasal özellikleri periyodik tablonun birinci grubunda yer alan ve alkali metal olarak sınıflandırılan elementlerden çok periyodik tablonun on yedinci grubunda yer alan ve halojen olarak sınıflandırılan ametallere benzer. Bu durumun temel nedeni tıpkı halojenler gibi hidrojenin de valans kabuğunu tamamen dolu hâle getirmek için dışarıdan bir elektron almaya ihtiyaç duymasıdır.
Bu yüzden bazı periyodik tablolarda hidrojen periyodik tablonun on yedinci grubunun en üstünde yer alır. Sık rastlanılan başka bir durumsa hidrojenin diğer tüm elementlerden ayrı olarak tablonun ana gövdesinin üstünde ve ortasında bir yere yerleştirilmesidir.
Üçüncü gruptaki elementler. Periyodik tablonun üçüncü grubu, d bloğundaki ilk gruptur. Kimya ders kitaplarındaki periyodik tabloların tamamında bu grupta yer alan ilk iki element (tablonun dördüncü ve beşinci satırında yer alan elementler) skandiyum ve itriyumdur. Ancak tablonun altıncı ve yedinci satırlarındaki elementler farklı periyodik tablolar arasında farklılık gösterir. Bazı yazarlar skandiyum ve itriyumun altına lantan ve aktinyumu, bazı yazarlarsa lütesyum ve lavrensiyumu yerleştirir. Hatta bazı periyodik tablolarda bu konumlarda hiçbir element yer almaz. Bu farklılıkların temel nedeni Madelung kuralına dayanarak yapılan elektron dizilimi tahminleriyle deneysel veriler arasındaki uyumsuzluktur.
Madelung kuralını lantan ve aktinyuma uyguladığınızda elektron dizilimlerinin sırasıyla [Xe]6s24f1 ve [Rn]7s25f1 olmasını beklersiniz. Dolayısıyla bu iki elementin periyodik tablodaki yeri f bloğunun ilk grubu olmalıdır. Ancak deneysel veriler lantan ve aktinyumun elektron diziliminin aslında [Xe]6s25d1 ve [Rn]7s26d1 olduğunu gösterir. Bazı yazarların lantan ve aktinyumu d bloğunun ilk grubuna, skandiyum ve itriyumun altına yerleştirmesinin sebebi budur. Ayrıca elementlerin erime sıcaklıkları, iyon yarıçapları gibi özelliklerinde periyodik tablonun ilk iki grubunda yukarıdan aşağıya gidildikçe gözlemlenenlere benzer değişimlerin skandiyum, itriyum, lantan ve aktinyum arasında da gözlemlenmesi de bu tercihi destekler.
Bazı periyodik tablolarda, özellikle de 1940’lardan öncekilerde, periyodik tablonun üçüncü grubunda lütesyum ve lavrensiyum yer alır. Bu durumun nedeni Madelung kuralına göre lütesyum ve lavrensiyumun elektron dizilimlerinin sırasıyla [Xe]6s24f145d1 ve [Rn]7s25f146d1 olmasıdır. Zaten deneysel veriler de bu tahminleri doğrular. Dolayısıyla lütesyum ve lavrensiyumun yeri d bloğunun ilk grubu olmalıdır. Periyodik tablonun birinci grubundaki alkali metaller kimyasal tepkimelerde +1 değerlik, ikinci grubundaki toprak alkali metallerse +2 değerlik alır. Skandiyum, aktinyum, lütesyum ve “muhtemelen” lavrensiyumun kimyasal tepkimelerde +3 değerlik alması da bu elementlerin üçüncü grupta yer alması gerektiği tercihini destekler.
Günümüzde yaygın olarak rastlanan bazı periyodik tablolarda skandiyum ve itriyumun altı boş bırakılır. Lantan ve aktinyum f bloğunun ilk grubuna, lütesyum ve lavrensiyumsa f bloğunun son grubuna yerleştirilir. Böylece periyodik tablonun altında yer alan f bloğu lantanitler ve aktinitler olarak sınıflandırılan 30 elementin tamamını içine alır. Ancak bu tercih de f orbitallerinde tek bir elektron dahi olmayan lantanın f bloğunda yeri olmadığı gerekçesiyle eleştirilir.
Geçiş Metalleri. Periyodik tablolarda alkali metaller, lantanitler, ametaller gibi farklı türlerdeki elementlerin farklı fon renkleriyle gösterilmesi yaygın bir uygulamadır. Ancak farklı kaynaklardaki çeşitli periyodik tablolar incelediğinde geçiş metali olarak sınıflandırılan elementlerle ilgili bir uzlaşma olmadığı görülür. Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) geçiş metallerini, d orbitalleri kısmen dolu olan ya da d orbitalleri kısmen dolu katyonlar (artı yüklü iyonlar) üreten metaller olarak tanımlar. Bu tanıma göre, periyodik tablonun üçüncü ile on birinci grupları arasında yer alan tüm elementler geçiş metalidir. Periyodik tablonun on ikinci grubunda yer alan çinko, kadmiyum ve cıva ise geçiş metali olarak sınıflandırılmaz. Çünkü hem nötr atomlarının hem de artı yüklü iyonlarının d orbitalleri kısmen değil tamamen doludur.
Bazı periyodik tablolarda geçiş metallerinin IUPAC’ın tanımına uygun bir biçimde işaretlendiği görülür. Ancak bazı yazarlar “geçiş metalleri” ile “d bloğu elementleri”ni eş anlamlı gibi kullanır, periyodik tablonun on ikinci grubunu da geçiş metallerine dâhil ederler. Bu yazarlara göre, çinko, kadmiyum ve cıva geçiş metallerinin d orbitalleri kimyasal bağlarda yer almayan istisnai bir alt grubudur. Periyodik tabloların bazılarındaysa, sadece IUPAC’ın tanımıyla uyumlu biçimde d bloğunun son grubundaki elementler değil, aynı zamanda d bloğunun ilk grubundaki elementler de geçiş metali olarak sınıflandırılmaz. Bu durumun nedeni, periyodik tablonun üçüncü grubundaki metallerin iyonlarının d orbitallerinin tamamen boş olması ve dolayısıyla kimyasal süreçlerdeki davranışlarının dört ile on birinci gruplar arasında yer alan metallerinkinden farklı olmasıdır.
Cıva ve Altın: Periyodik tabloyu yararlı yapan şey, elementlerin tablodaki konumuna bakarak fiziksel ve kimyasal özellikleri hakkında fikir yürütebilmektir. Ancak bazı elementlerin özellikleri periyodik tablodaki konumlarından beklenenden çok farklıdır. Örneğin, on ikinci grupta yer alan elementlerden çinko ve kadmiyum oda sıcaklığında katı hâldedirler. Benzer biçimde, aynı grupta yer alan cıvanın da oda sıcaklığında katı hâlde olması beklenir. Ancak erime sıcaklığı yaklaşık -38°C olan cıva, oda sıcaklığında sıvı hâldedir. Rölativistik etkiler sebebiyle ışık hızına (c) yakın hızlarda hareket eden cisimlerin kütleleri artar.
Bu yüzden cıva atomlarının valans kabuğundaki, yaklaşık 0,58c hızıyla hareket eden elektronlar atom çekirdeğine yaklaşır ve daha güçlü bağlanırlar. Bu durum, cıva atomları arasında katı malzemelerdeki gibi güçlü bağlar kurulmasını engeller. Çinko ve kadmiyum atomlarının valans kabuğundaki elektronlarsa cıvadakilere göre çok daha yavaş hareket ederler, dolayısıyla fiziksel özelliklerinde rölativistik etkiler sebebiyle belirgin bir değişiklik görülmez.
Periyodik tablodaki konumundan beklenenden farklı fiziksel özelliklere sahip bir diğer element altındır. Kendine özgü rengiyle diğer metallerden ayrılır. Bu durumun sebebi de yine rölativistik etkilerdir.
Hidrojen, helyum gibi elementlerin periyodik tablodaki konumları, özellikleri arasında uyumsuzluk söz konusu olduğunda, atomları periyodik tabloda daha uygun konuma taşımak mümkündür. Ancak cıva ve altın için aynı durum söz konusu değildir. Dört taraflarında başka elementler vardır ve yerleştirilebilecekleri daha uygun bir konum yoktur.
Kimyasal Özellikleri Bilinmeyen Elementler: Periyodik tabloda yer alan elementler arasında, doğada bulunan en ağır element, atomlarının çekirdeğinde 94 proton olan plütonyumdur. Daha ağır elementlerin tamamı laboratuvar ortamında sentezlenir. Bu elementlerin çoğunu üzerinde deneyler yaparak kimyasal özellikleri hakkında bilgi edinilebilecek miktarda üretmek çok zordur. Zaten yüksek derecede radyoaktif oldukları için kısa süre içinde bozunarak başka elementlere dönüşürler. Bu aşırı ağır elementler standart periyodik tablolarda Madelung kuralına göre sahip oldukları elektron dizilimleriyle uyumlu konumlara yerleştirilirler. Ancak bunun doğru bir yöntem olup olmadığı tartışmalıdır.
Aşırı ağır elementlerin valans kabuğundaki elektronlar ışık hızına yakın hızlarla hareket ederler. Dolayısıyla, rölativistik etkiler nedeniyle cıvanın ve altının periyodik tablodaki konumlarından beklenenden farklı özelliklere sahip olmasına benzer biçimde, aşırı ağır elementlerin de fiziksel ve kimyasal özellikleri, rölativistik etkiler sebebiyle periyodik tablodaki konumlarından beklenenden çok farklı olabilir. Örneğin atomlarının çekirdeğinde 114 proton olan flerovyum standart periyodik tablolarda on dördüncü grupta yer alıyor.
Dolayısıyla, bulunduğu konuma bakarak metal özellikleri göstermesi beklenir. Ancak tahminlere göre flerovyumun kimyasal özellikleri metallerden çok soygazlara benziyor. Bu tahminlerin ne ölçüde doğru olduğu henüz net olarak bilinmese de rölativistik etkilerin önemli olduğu aşırı ağır elementlerin pek çoğu için benzer durumlar söz konusu olabilir.
Periyodik tablo ile ilgili tartışmalar sebebiyle, pek çok bilim insanı tablonun yeniden düzenlenmesi gerektiğini düşünüyor. Öne sürülmüş çok farklı periyodik tablolar var. Manchester Metropolitan Üniversitesinde çalışan Dr. Mark Leach tarafından tutulan periyodik tablo veri tabanında yedi yüzün üzerinde periyodik tablo yer alıyor.
Periyodik Tablonun Geleceği
Alternatif periyodik tabloların bazıları standart periyodik tablo benzeri düzlemsel ve dörtgen biçimli. Örneğin f bloğunun tablonun ana gövdesine dâhil edildiği 32 sütundan oluşan tablo gibi. Bu tablo, özellikle atom numarası sıralamasının kesintiye uğramaması gerektiğini düşünen kimyacılar tarafından tercih ediliyor. Bazı versiyonlarında skandiyum ve itriyum, lantan ve aktinyumun üzerinde yer alıyor (f bloğu, d bloğunu ikiye bölüyor) bazı versiyonlarındaysa skandiyum ve itriyum, lütesyum ve lavrensiyumun üzerinde yer alıyor (f bloğu, s ve d bloklarının arasında yer alıyor).
Alternatif periyodik tabloların en popülerlerinden biri, Theodor Benfey tarafından hazırlanan spiral biçimli periyodik tablo. Merkezdeki hidrojenden başlayan ve hiç kesintiye uğramadan devam eden dizilimde lantanitler ve aktinitlerle geçiş metalleri dışa doğru uzanan kolların içinde yer alıyor.
Farklı periyodik tabloların standart tabloda kendini gösteremeyen fiziksel ve kimyasal özelliklerle ilgili örüntülere vurgu yapmak için hazırlandığı söylenebilir. Kimyacılar farklı elementler arasındaki kimyasal benzerliklerin daha açık seçik görüldü
ğü kimyasal tabloları, fizikçilerse elementlerin elektron dizilimlerine ve kuantum mekaniksel özelliklerine vurgu yapan tabloları tercih ediyorlar. Standart tablo ise tam anlamıyla ne fizikçileri ne de kimyacıları memnun ediyor.