s Bloğu Elementleri

Periyotlar cetvelinde metallerin ametal karakteri asal gazlara doğru gidildikçe artmakta, gruplarda aşağı doğru inildikçe azalmaktadır. Asal gazlar da ametal özellikleri gösterir. s bloğu cetvelin en solunda yer alır. Bu nedenle en belirgin metal özellikleri bu elementlerde görülür.

Metallerde periyodik özellikler oldukça düzenli olarak değişir.

Metallerin erime noktaları ve sertlikleri, alkali metallerden başlayarak geçiş metallerinin ortalarına (grup VIB) kadar yükselir. Geçiş metallerinde sertlik ve erime noktası daha sonra düşmeye başlar. Geçiş metallerinin son grubu IIB elementlerinin erime sıcaklıkları düşük ve sertlikleri azdır. Geçiş metallerinden hemen sonra gelen elementler de düşük erime noktaları olan yumuşak metallerdir. Örneğin IVA grubundaki Sn ve Pb ile VA grubundan Sb ve Bi erime noktası düşük alaşımların yapımında kullanılırlar. Bu arada dikkat çekici bir örnek Galyum’dur. Bütün elementler içinde en geniş sıvı hal sıcaklık aralığına sahip IIIA elementidir. (e.n= 29,8^oC, k.n= 2250^oC).

Metallerin reaksiyon yatkınlığının iyonlaşma enerjileri ile açıklanabileceği şeklinde genel bir düşünce vardır.

Nitekim birinci iyonlaşma enerjileri (İE₁) düşük olan alkali metallerin reaksiyon yatkınlıkları yüksektir. Bununla beraber metallerin yüksek değerlikli olduğu kararlı bileşikler vardır. İyonlaşma olayı enerji gerektiren bir olaydır. Çok sayıda elektronun koparılması büyük miktarlarda enerjiyi gerektirir. Ancak oluşan iyonun elektrik yükü yüksek, çapı küçük olduğundan yük/çap oranları büyüktür. Böyle iyonların oluşturduğu iyonik şebeke yapılı bileşiklerin de katı haldeki örgü enerjisi ve sulu çözeltilerindeki hidratlaşma enerjileri yüksek olur.

IA Elementleri

Alkali metal geleneksel tanımlaması ile bilinen IA elementleri atomlar arasındaki bağın zayıf olması nedeniyle erime noktası düşük, yumuşak metallerdir. Asal gaz elektron dizilişinin dışında, sadece bir elektron bulunduğundan, katı halde iken elektron bulutu ile pozitif yüklü iyonlar arasındaki çekme kuvveti zayıftır.

Grupta aşağıya doğru inildikçe erime ve kaynama noktaları düşmekte ve sertlik azalmaktadır.

Beklendiği gibi büyük çaplı iyonlar ile elektron bulutu arasındaki çekim kuvveti küçüktür. Metallerin yoğunluğu yukarıdan aşağıya doğru artmaktadır. Fakat yoğunluğu sodyumdan küçük olan potasyum aykırı davranmaktadır.
Yer kabuğunda en çok bulunan alkali metaller sodyum ve potasyumdur. Bu elementler yer kabuğunun önemli bir bölümünü oluşturan alüminosilikatlarda bulunurlar. Çok az bulunan rubidyum ve sezyumun minerallerine nadir rastlanır. Çoğunlukla potasyum minerallerinin içinde bulunurlar. Lityum, yarıçapının çok küçük olması nedeniyle, minerallerde sodyum veya potasyumun yerine geçemez. Doğada lityum, alüminosilikatlarda magnezyum ile birlikte bulunur. Bu özellik periyot cetvelinde gözlenen çapraz ilişkilerin bir sonucudur.

Alkali metaller için genel elde edilme yöntemi, eritilmiş tuzların veya hidroksitlerin elektrolizidir. Sodyum ve lityum erimiş klorür tuzlarının elektrolizi ile elde edilir. Ağır alkali metaller de elektroliz ile elde edilebilir. Bu metallerin elde edilmesinde indirgenme reaksiyonları da önemlidir. Örnek; Potasyum fluorür tuzunun (KF) CaC₂ ile indirgenmesiyle ele geçer.

Potasyum klorürün sodyum ile indirgenmesiyle oluşan K-Na alaşımları ısı değiştiricileri olarak kullanılır.

Lityumun özellikleri diğer alkali metallerinkinden farklıdır. Lityum birçok özellikleri yönünden toprak alkalilerin ikinci elementi magnezyuma benzer.

Lityum ve magnezyum karbonatlar ısıtıldıklarında oksit haline dönüşürler. Diğer alkali ve toprak alkali metal karbonatlar, ısıya daha dayanıklıdır.

IIA Elementleri

Toprak Alkali Metalleri, IA’daki alkali metallere göre daha sert olup, yoğunlukları ve erime noktaları daha yüksektir. Çünkü toprak alkali metallerin atomlarında asal gaz yapısına ilave olarak iki elektron vardır. Atomda; elektronlar (=elektron bulutu) ile 2+ yüklü iyon arasındaki Coulomb çekmesi daha kuvvetlidir ve bu çapın küçülmesine, yoğunluğun artmasına son olarak atomlar birbirine daha yakın duracağından erime noktasının daha yüksek değerler almasına neden olur. Bu gibi etkileşimler alkali metallerde olduğu gibi grupta aşağı doğru inildikçe azalmaktadır.

Periyodik cetvelin diğer gruplarında olduğu gibi toprak alkali metaller grubunun ilk elementi berilyumun özellikleri grubun diğer elementlerinkinden farklıdır. Bu farklılığın temel nedeni Be²⁺ iyonunun çapının küçük olması dolayısı ile elektrik yük yoğunluğunu gösteren yük/çap oranının büyük olmasıdır. Be²⁺, Mg²⁺ ve Al³⁺ iyonlarının yük/çap oranları sırasıyla 0,039; 0,023 ve 0,044 tür. Bu değerlere göre Be²⁺ iyonu özellikleri Al³⁺ iyonuna göre daha yakındır.

Toprak alkali metaller içinde yeryüzünde en çok bulunan elementler magnezyum ve kalsiyumdur. Mineraller içinde ve deniz suyunda magnezyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum yaygın olarak bulunur. Endüstriyel ölçülerde üretimi yapılan tek toprak alkali metal magnezyumdur. Bunun için dolomit ısıtılarak CaO ve MgO karışımı haline getirilir. Karışım nikel kaplarda bir demir-silisyum alaşımı ile indirgenir.

p Bloğu Elementleri

Periyotlar boyunca asal gazlara doğru ilerledikçe ametalik özellik daha belirgin hale gelmekte, gruplarda aşağıya doğru inildikçe ise metalik özellikler belirginleşmektedir. p bloğu elementleri diğer bloklara göre fiziksel ve kimyasal özellikler yönünden büyük bir çeşitlilik göstermektedir Bu nedenle p bloğunun birinci grubu IIIA’nın sadece birinci elementi bor ametal, diğer üyeler metalik karakter gösterir. Halojenlerin (VIIA) hepsi ametaldir.

p bloğunda periyotlar boyunca ilerledikçe elementlerin oksidasyon basamakları artmaktadır. p bloğunun asal gazlara en yakın grubu olan halojenlerdeki elementlerin çok farklı oksidasyon basamakları vardır. Bu elementler için redoks reaksiyonları çok önemlidir. Periyotların başlangıcındaki p bloğu elementleri olan bor, karbon ve silisyumun alabileceği oksidasyon basamağı sayısı azdır.

p bloğu elementlerinin ilk periyodundaki B, C, N, O ve F’un özellikleri grupların diğer elementlerinkinden çok farklıdır. Çünkü bu elementlerin atomlarında 2p nin dışındaki orbitallerin enerjileri çok yüksektir ve değerlik orbitali olarak davranmamaktadır.

Küçük yarıçaplı atomlar olan bor, alüminyum, karbon ve silisyum, oksijen ve fluor gibi ametal karakterin belirgin olduğu elementlere karşı ilgi duyarken talyum ve kurşun gibi büyük yarıçaplı olanlar ise kükürt ve iyod gibi atom çapı daha büyük olanlara ilgi duyarlar. İlgi duymak; kimyada daha kolay reaksiyona girmek anlamında kullanılır.

En yüksek değerliğin kazanılması yönünden gruplarda aşağı doğru inildikçe farklılıklar vardır. Küçük atom numaralı blok üyeleri en yüksek oksidasyon basamağını almaya yatkın iken büyük olanlarda bu yatkınlık giderek azalmaktadır. En yüksek değerliğe varma, değerlik elektronlarının tümünü kaybetme anlamındadır. Örneğin; IVA grubunun ilk elementi olan karbonda değerlik sadece 4+, grubun son elementi olan kurşunda 2+ veya 4+ olabilmektedir.

III ve IVA Elementleri

Yeryüzünde bulunma bolluğu bakımından bu iki grubun elementleri büyük bir çeşitlilik göstermektedir. Karbon, alüminyum ve silisyum çok bol bulunurken bor çok az miktarda vardır. Bu bakımdan stratejik elementler arasında yer alan Bor minerallerinin yoğun bulunduğu bölgeler, örneğin Türkiye, özellikle önem kazanmaktadır.

Bu iki gruptaki elementlerin özellikleri arasındaki özellikler incelendiğinde çapraz benzerliklerin önemli olduğu görülmektedir. Örneğin IIIA grubunun ilk elementi olan bor, özellikleri bakımından IVA grubunun ikinci ve üçüncü elementleri silisyum ve karbona benzemektedir. Borun hemen altındaki alüminyum ise borun aksine açıkça metalik karaktere sahiptir ve metallerin belirgin bir özelliği olan sık istiflenme düzeninde kristallenmektedir. IIIA elementlerinde yüksek periyotlarda 1+ değerlik 3+ değerliğin yerini alabilir: Örneğin TlI₃ bileşiğinde ilk bakışta Tl³⁺ ve 3 adet I^- düşünülmektedir. Oysa gerçek yapı Tl⁺ ve I₃^- iyonlarından ibarettir.

Katı haldeki bor yapısal farklılık gösterir. Bütün bu yapılarda ikozahedral B₁₂ birimleri vardır. İkozahedral birimlerde bor atomları arasında 3 merkezli 2 elektronlu bağlar vardır.

Borun azot, oksijen ve fluor gibi elektron ilgisi yüksek elementlerle yaptığı bileşikler önemlidir. Bor, fluor ve diğer halojenlerle düzlem üçgen yapısında BX₃ moleküllerini oluşturur. Bor halojenürler hidroliz olurlar. Hidroliz; Su ile kimyasal reaksiyona girmek anlamındadır.

Bor nitrür (BN) karbonun C₂ molekülü ile izoelektroniktir. İzoelektronik tanımlaması farklı atomlardan meydana gelen ancak aynı elektron konfigürasyonuna sahip yapılar için kullanılır. Bu nedenle katı haldeki bor nitrürün yapısı ile katı haldeki karbon arasında büyük benzerlikler vardır. Laboratuvar şartlarında bor nitrür, grafit yapısında bir katı oluşturur. Grafitte birbirini izleyen düzlemlerdeki karbon atomları çapraz konumlardadır. Bor nitrürde ise birbirini izleyen düzlemlerdeki bor atomları ile azot atomları aynı hizadadır. Grafitte olduğu gibi düzlemlere dik p orbitallerinin oluşturduğu çok zayıf bağlar vardır. Bu nedenle düzlemler birbiri üzerinde kolaylıkla kayabilirler. Grafit yapısındaki BN, renksiz ve kaygan bir maddedir. Makinelerin hareket eden parçaları arasındaki sürtünmeyi azaltmak amacıyla kaydırıcı madde olarak kullanılır. Grafit elektriği iyi ilettiği halde, bor nitrür yalıtkandır.

Yüksek basınç (60 atm) altında ve yüksek sıcaklıkta (2000^oC) grafit yapısındaki bor nitrür, elmas yapısı kazanır. Yüzey merkezli küpten türetilen bu yapıdaki bor nitrür elmasa yakın sertlikte bir katıdır. Bu nedenle aşındırıcı zımpara ve taşlarla kesici aletlerin yapımında kullanılır.

IIIA Elementleri

Alüminyum ve Galyum elektrik iletkenlikleri yüksek, gümüş beyazı renginde metallerdir. Alüminyumun erime sıcaklığı oldukça yüksek (659,7^oC) olduğu halde galyum çok düşük sıcaklıkta sıvı hale geçer (30^oC). Kaynama sıcaklığı 2403^oC olan galyumun sıvı halde bulunduğu sıcaklık aralığı çok geniştir.

Alüminyum ve galyum 3+ değerlikli bileşikler oluşturmakla birbirine benzer. Ancak galyumun 1+ ve 2+ değerlikli kararlı bileşikleri de vardır.

Alüminyum doğadaki boksid mineralinden elde edilir. Al₂O₃ çok sert bir katıdır. Alüminat denilen bu oksit içinde safsızlık olarak Fe ve Ti bulunması, kristale güzel bir mavi renk kazandırır. Safir olarak adlandırılan bu kıymetli taşa mavi rengi veren Fe ile Ti arasında elektronik yük aktarım geçişinin olmasıdır. Alüminatın içinde Cr³⁺ iyonu varsa diğer bir kıymetli taş türü olan yakut meydana gelir.

Karbonun grafit, elmas ve karbon siyahı olmak üzere üç allotropu vardır. Bir elementin atomlarının farklı dizilişleri ile oluşan yapı türlerine allotrop denir. Bu allotroplar arasında 3,51 g/cm³ değeri ile yoğunluğu en yüksek olan elmastır. Yoğunluk grafit için 2,25 g/cm³, karbon siyahı için 1,88 g/cm³ kadardır.

Elmas yapısında; karbon atomları düzgün dörtyüzlü düzen içinde birbirlerine bağlanmışlardır. Elmasta C-C bağ uzunluğu 154 pm’dir. Bu değer C-C tekli bağ için standart değer olarak alınır. Elmas çok sert bir katıdır ve sertliği en yüksek madde olarak kabul edilerek diğer katıların sertlikleri buna göre derecelendirilir. Kovalent bağlardan oluşan bu katı beklendiği gibi elektriği iletmez.

IVA Elementleri

Karbon fiberler kısmen kristal katılar grubundadır. Karbon fiberler asfalt fiberlerin veya sentetik fiberlerin karbonize edilmesi ile elde edilirler. Bu fiberlerin gerilmeye karşı dirençleri yüksektir. Kısmen kristal özelliği gösterebilen karbon allatropları otomobil lastiklerinin dayanıklılığını arttırmak amacıyla katkı maddesi olarak kullanılır.

Karbonun azotlu bileşiklerinin en basiti hidrojen siyanürdür (HCN). Bu bileşik katalizörlerin etkisi altında amonyak ile metanın reaksiyonu sonucunda oluşmaktadır. Hidrojen siyanür çok zehirli bir gazdır. Siyanür anyonu (CN^-) karbon monoksid ile izoelektroniktir. Bu maddelerin zehirli olmasının nedeni kanda oksijen taşınmasını sağlayan hemoglobindeki Fe(III) iyonunu daha kuvvetli bağlayarak bloke etmesi ve bu suretle oksijen elektron taşınmasını engellemesidir.

IVA elementlerinden Silisyum ve Germenyum elektronik endüstrisi için çok önemlidir. Silisyum, silisyum dioksidin karbon veya kalsiyum karbür ile; Germanyum da germanyum dioksidin hidrojen veya karbon ile indirgenmesiyle elde edilir. Ancak elektronik endüstrisinde çok saf silisyum ve germanyuma ihtiyaç vardır. Bunun için önce silisyum veya germanyumun tetraklorür veya tetraiyodür bileşikleri elde edilir (SiCl₄/SiI₄, GeCl₄/GeiI₄). Fraksiyonlu destillasyon ile madde bor ve fosfor içeren safsızlıklarından arındırılır. Daha sonra halojenür bileşikleri ısıtılarak metal ve halojene ayrılır ya da hidrojenle indirgenir.

Kalay eldesi kalaydioksidin karbon ile indirgenmesiyle olur. Kalay 13^oC nin altındaki sıcaklıklarda gri kalay (a - Sn) üstünde ise beyaz kalay (b -Sn) formundadır. Gri kalayda atomlar elmasta olduğu gibi düzenlenmişlerdir. Silisyum ve germanyum da elmas yapısındadır. Elmas yalıtkan olduğu halde silisyum, germanyum ve gri kalay yarı iletken olarak davranırlar.

Kurşun ise doğada daha çok sülfür mineralleri halinde bulunur. Kurşunsülfür karbon ile indirgenemez. Bunun için kurşunsülfür önce havada kavrularak kurşunoksit haline çevrilir ve sonra indirgenir.

V ve VIA Elementleri

Periyodik cetvelin ikinci periyodundaki elementlerin diğer periyotlardaki elementlerden çok farklı olması hali, bu gruplar için de geçerlidir. Grupların ilk elementleri azot ve oksijen doğada gaz halinde bulunurken diğerleri katı haldedir. III ve IVA gruplarının ağır elementleri metal özelliği taşırken, V ve VIA’daki elementlerin hiçbiri gerçek metal değildir. Bu gözlem periyodik cetvelde asal gazlara doğru ilerledikçe metal özelliğindeki azalma eğilimine uymaktadır.

Bu iki gruptaki elementlerin birçoğu çok çeşitli değerliklerde olabilmektedir. Bu nedenle bileşikleri çok çeşitli redoks değişimleri göstermektedir.

Grup VA’nın ilk elementi olan azot bu grubun en yüksek değerliği olan 5+ oksidasyon basamağını alabilmektedir. Grubun sonuncu elementi bizmutun en yüksek değerliğe varabilmesi için çok kuvvetli yükseltgen maddeler gereklidir. Bunun nedeni büyük atomlu elementlerde gözlenen kararlı elektron çifti etkisidir.

Grup VIA’nın ilk elementi olan oksijenin 6+ değerlikli bileşiği yoktur. Grubun diğer elementlerinin en yüksek değerlikte (6+) olduğu bileşikler vardır. Ayrıca ilk elementler olan azot ve oksijen, moleküllerinde koordinasyon sayısının 4′ten yüksek olduğu çok az sayıda bileşik yapar. Her iki grubun diğer elementlerinde koordinasyon sayısı 5 ve 6 olan hallere sık rastlanmaktadır.

VIIA Elementleri

Halojen geleneksel tanımlaması ile bilinen VIIA elementlerinin çok farklı kimyasal özellikler gösteren bileşikleri mevcuttur. Şüphesiz bu durum 1- de 7+’ya kadar değişen oksidasyon basamakları nedeniyledir.

Halojenlerin iyonlaşma enerjileri ve elektron ilgileri yüksektir. Çünkü bu elementlerde en dış orbitallerinde ns²np⁵ elektronik yapısı söz konusudur. Elektron dizilişinin kararlı asal gaz yapısına sahip olabilmesi için sadece bir elektrona ihtiyacı vardır ve bu durum halojenlerin 1- oksidasyon basamağını kararlı kılar. Bundan başka çeşitli pozitif değerliklerin (1+, 3+, 5+, 7+) olduğu kararlı halojen bileşikleri de izole edilebilir. Bütün elementler içinde en yüksek elektron ilgisine sahip olduğu için fluorun pozitif değerliği yoktur.

p bloğunun diğer elementlerinde olduğu gibi halojenlerin ilk elementi diğerlerinden farklı özellikler göstermektedir. Fluor İE değeri en yüksek olmasına rağmen, Eİ değeri klordan küçüktür. Bu aykırılığın nedeni atom yarıçapının küçük olması ve elektronlar arası itme kuvvetinin büyük olmasıdır. Elektron ilgisi küçük olduğu halde fluor, iyonik yapıda kararlı bileşikler oluşturur. Çünkü yarıçapı küçük fluorür iyonlarının bulunduğu yapıda örgü enerjisi büyüktür. Örgünün oluşması ile açığa çıkan enerji elektron ilgisinin küçük olmasının getirdiği güçlüğü fazlasıyla karşılar.

d- Bloğu Elementleri

p–bloğundaki en elektronegatif elementlerle, s bloğunda bulunan daha elektropozitif elementler arasında bulundukları için geçiş elementleri olarak adlandırılan bu blok birkaç istisna ile birlikte, (n–1)s² (n–1)p⁶ (n–1)d^4–9 ns² dış elektron yapısına sahiptir. Geçiş elementlerinin hepsi metaldir ve tabiatta bol miktarlarda bulunan Demir ile Titanyum’dan, çok nadir rastlanan Renyum’a kadar dizilmişlerdir.

Son yörüngesindeki elektron düzenlenmesi 3d¹⁰ 4s¹ ve 3d¹⁰ 4s² olan Bakır ve Çinko aslında geçiş metalleri değildirler. Bununla birlikte, d⁹ elektron düzenine sahip olan Cu(II) kesinlikle bir geçiş metali iyonudur ve Zn(II) pek çok açıdan d bloğuna benzer.

Geçiş elementleri genellikle serttir ve yüksek erime, kaynama noktalarına ve periyodik sistemde kendilerinden önceki metallere göre daha yüksek buharlaşma ısılarına sahiptir. Bu sertlik ve daha yüksek buharlaşma ısıları muhtemelen metal bağlarında bulunan (d elektronlarına ilaveten) dış s elektronlarının bulunması anlamına gelir. Çekirdek yükünün s ve p elektronlarına d elektronlarını daha zayıf engellemesi nedeniyle, geçiş elementlerinin iyonlaşma enerjileri de, alkali ve toprak alkali metallerine göre çok daha yüksektir. Birinci sıradaki, oksidasyon potansiyelleri s–bloğundan daha düşüktür ve böylece elementlerin reaktivitesi göreceli olarak düşüktür.

Eğer geçiş elementleri bileşiklerini tek kelimeyle karakterize etmek gerekirse bu kelime renkli olmalıdır. Hemen hemen tüm bileşikler renklidir ve sulu çözeltilerdeki katyonun rengi, teşhis edebilmek için iyi bir belirteçtir. Örneğin sulu bir çözelti olan Cu(II) mavi, Ni(II) yeşil, Co(II) pembe, Cr(III) menekşe/viole, Mn(II) açık pembe, Fe(III) sarı–kahve ve Zn(II) renksizdir.

Geçiş metalleri katyonlarının çözeltilerinin renkleri katyonun kimyasal çevresinin değişimine karşı çok hassastır. Örneğin Cu(II) nitratın solgun mavi rengi hidroklorik asit ilave edilmesiyle önce yeşile daha sonra sarı-yeşile dönüşür. Bu renk değişimi, bakır iyonlarını önce saran su moleküllerinin yerini klorür iyonlarının alması ve böylece yeni türlerin oluşması sonucu ortaya çıkar.

Aynı şekilde sulu kobalt(II) nitrat çözeltisinin gül-pembe rengi tiyosiyanat iyonunun aşırısının katılmasıyla koyu maviye dönüşür.

Ayrıca Fe(II) iyonunun sulu çözeltisinin sarı-kahve rengi florür iyonu katılmasıyla renksiz hale geçer.

Bu renk ve çevre değişimi d orbitallerinin yarı dolu elementlerinin karakteristik özelliğidir ve d orbitallerinin bir şekilde bağlanmaya iştirak ettiklerini gösterir.