Minerallerin Kimyası
Kayaçlar, belirli bir kimyasal bileşime sahip minerallerden oluşur. Mineral kimyasını anlamak için, tüm maddenin temel birimi olan atomu incelemek çok önemlidir.
Madde atomlardan oluşur. Atomlar atom altı parçacıklardan oluşur; protonlar, nötronlar ve elektronlar. Basit bir atom modelinde, pozitif yüke sahip protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluşan merkezi bir çekirdek vardır. Negatif yüklü elektronlardan oluşan bir bulut, çekirdeği çevreler, elektron sayısı proton sayısına eşittir, böylece nötr bir atom için protonların pozitif yükü dengelenir. Proton ve nötronların her birinin kütle numarası 1'dir. Bir elektronun kütlesi bir proton veya nötronun binde birinden daha azdır, yani atomun kütlesinin çoğu çekirdektedir.
Elementlerin Periyodik Tablosu
Madde, çekirdeğinde belirli sayıda proton bulunan atomlar olan elementlerden oluşur. Bu proton sayısına elementin Atom Numarası denir. Örneğin, bir oksijen atomunun 8 protonu ve bir demir atomunun 26 protonu vardır. Bir element kimyasal olarak daha basit bir forma parçalanamaz ve benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklerini korur. Her bir element doğada benzersiz bir şekilde davranır. Bu benzersizlik, bilim insanlarını, bilinen tüm elementlerin atom numaralarına göre sıralandığı bir tablo düzenlemesi olan elementlerin periyodik tablosunu geliştirmeye yöneltmiştir.
Elementlerin periyodik bir tablo halinde ilk düzenlemesi 1869 yılında Dmitri Mendeleev tarafından o tarihte bilinen elementler kullanılarak yapılmıştır. Periyodik tabloda her elementin bir kimyasal sembolü, adı, atom numarası ve atom kütlesi vardır. Kimyasal sembol, genellikle maddenin Latince veya Yunanca adından türetilen, elementin kısaltmasıdır. Atom numarası, çekirdekteki proton sayısıdır. Atom kütlesi, çekirdekte bulunan ve her birinin kütle numarası bir olan proton ve nötronların sayısıdır. Elektronların kütlesi proton ve nötronlardan çok daha az olduğundan, atom kütlesi etkin bir şekilde proton artı nötron sayısıdır.
Doğal elementlerin atom kütlesi, doğada o maddeyi oluşturan atomların ortalama kütlesini temsil eder ve genellikle periyodik tabloda görüldüğü gibi tam sayı değildir, yani bir element doğada farklı sayıda nötrona sahip atomlarla bulunur. Nötron sayısının farklılığı doğadaki bir elementin kütlesini etkiler ve atomik kütle numarası bu ortalamayı temsil eder. Bu da izotop kavramının ortaya çıkmasına neden olur. İzotoplar, bir elementin aynı sayıda protona ancak farklı sayıda nötrona sahip formlarıdır. Belirli bir element için genellikle birkaç izotop vardır. Örneğin, karbon atomlarının %98,9'u 6 proton ve 6 nötrona sahiptir. Bu karbon izotopuna karbon-12 (12C) adı verilir. Birkaç karbon atomu, karbon-13 (13C), 6 proton ve 7 nötrona sahiptir. Eser miktarda karbon atomu olan karbon-14 (14C), 6 proton ve 8 nötrona sahiptir.
Bilinen 118 element arasında en ağırları sadece yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılarında bulunabilen geçici insan yaratımlarıdır ve hızla bozunurlar. Doğal olarak oluşan en ağır element uranyumdur, atom numarası 92'dir. Dünya'nın kıtasal kabuğunda en bol bulunan sekiz element aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Bu elementler en yaygın kayaç oluşturan minerallerde bulunur.
| Element | Sembol | Çokluk (%) |
| Oksijen | O | %47 |
| Silikon | Si | %28 |
| Alüminyum | Al | %8 |
| Demir | Fe | %5 |
| Kalsiyum | Ca | %4 |
| Sodyum | Na | %3 |
| Potasyum | K | %3 |
| Magnezyum | Mg | %2 |
Kimyasal Bağlar
Dünya üzerindeki çoğu madde birden fazla element içeren bileşiklerdir. Kimyasal bağlar, bu atomların birbirlerine nasıl bağlanarak bileşikler oluşturduğunu açıklar; örneğin sodyum ve klorun birleşerek sofra tuzu NaCl'yi oluşturması gibi. Kimyasal bağlarla bir arada tutulan bileşiklere molekül denir. Su, iki hidrojen atomunun bir oksijen ile kovalent olarak bağlanarak su molekülünü oluşturduğu bir hidrojen ve oksijen bileşiğidir. Soluduğumuz oksijen, bir oksijen atomunun başka bir oksijen atomuyla kovalent bağ yaparak O2 molekülünü oluşturmasıyla meydana gelir. Kimyasal formüldeki 2 alt simgesi molekülün iki oksijen atomu içerdiğini gösterir.
Çoğu mineral aynı zamanda birden fazla elementin bileşiğidir. Yaygın mineral kalsit, molekülün bir kalsiyum, bir karbon ve üç oksijen atomundan oluştuğunu gösteren CaCO3 kimyasal formülüne sahiptir. Kalsitte bir karbon ve üç oksijen atomu kovalent bağlarla bir arada tutularak negatif yüke sahip karbonat adı verilen bir moleküler iyon oluşturur. Bir iyon olarak kalsiyum artı iki pozitif yüke sahiptir. Zıt yüklü iki iyon birbirini çeker ve birleşerek kalsit minerali CaCO3'ü oluşturur. Kimyasal bileşiğin adı kalsiyum karbonattır; burada kalsiyum Ca'dır ve karbonat CO3-2 moleküler iyonunu ifade eder.
Olivin minerali, bir silikon ve dört oksijen atomunun iki magnezyum veya demir atomuyla bağlandığı (Mg,Fe)2SiO4 kimyasal formülüne sahiptir. Demir (Fe) ve magnezyum (Mg) arasındaki virgül, iki elementin kristal yapıda aynı yeri işgal edebileceğini ve birbirinin yerine geçebileceğini gösterir.
Değerlik ve Yük
Atom çekirdeğinin etrafındaki elektronlar, farklı enerji seviyelerini temsil eden kabuklarda bulunur. En dıştaki kabuk değerlik kabuğu olarak adlandırılır. Değerlik kabuğundaki elektronlar kimyasal bağlarda rol oynar. 1913 yılında Niels Bohr, atomların en dış kabukları dolu olduğunda daha kararlı olduklarını belirten basit bir atom modeli önermiştir. Bu nedenle çoğu elementin atomları elektron kazanma veya kaybetme eğilimindedir, böylece en dış veya değerlik kabuğu dolar. Bohr'un modelinde en içteki kabuk en fazla iki elektrona, ikinci ve üçüncü kabuklar ise en fazla sekiz elektrona sahip olabilir. En içteki kabuk, hidrojen ve helyumda olduğu gibi değerlik kabuğu olduğunda, iki elektronla dolu olduğunda sekizli kuralına uyar. Daha üst sıralardaki elementler için, değerlik kabuğundaki sekiz elektrondan oluşan sekizli kuralı geçerlidir.
Periyodik tablodaki satırlar elementleri atom numarası sırasına göre gösterir ve sütunlar, değerlik kabuklarındaki aynı sayıda elektron gibi benzer özelliklere sahip elementleri düzenler. Sütunlar genellikle soldan sağa doğru I'den VIII'e kadar Roma rakamları ve 1'den 18'e kadar Arap rakamları ile etiketlenir. Sütun I ve II'deki elementlerin kendi değerlik kabuklarında 1 ve 2 elektronları vardır ve sütun VI ve VII'deki elementlerin kendi değerlik kabuklarında 6 ve 7 elektronları vardır.
satır ve I. sütunda, sodyum (Na) çekirdeğinde 11 protona ve üç kabukta 11 elektrona sahiptir - iç kabukta 2 elektron, ikinci kabukta 8 elektron ve değerlik kabuğunda 1 elektron. Sekizli kuralı uyarınca 8 elektrondan oluşan tam bir dış kabuğu korumak için sodyum kolayca 1 elektron verir, böylece toplam 10 elektron olur. Çekirdeğinde 11 pozitif yüklü proton ve iki kabuğunda 10 negatif yüklü elektron bulunan sodyum, kimyasal bağlar oluşturduğunda toplam net yükü +1 olan bir iyon haline gelir.
Sütun I'deki tüm elementlerin değerlik kabuklarında tek bir elektron vardır ve değerlikleri 1'dir. Bu diğer sütun I elementleri de bu tek değerlik elektronunu kolayca verir ve böylece +1 yüklü iyonlar haline gelirler. Sütun II'deki elementler kolayca 2 elektron verir ve +2 yüklü iyonlar haline gelir. I. ve II. sütunlarda yer alan ve değerlik elektronlarını kolayca veren elementlerin, genellikle VI. ve VII. sütunlarda yer alan ve bu elektronları kolayca alan elementlerle bağ oluşturduklarına dikkat ediniz. 3'ten 15'e kadar olan sütunlardaki elementler genellikle kovalent bağlarda yer alırlar. Son sütun 18 (VIII) asal gazları içerir. Bu elementler kimyasal olarak etkisizdir çünkü değerlik kabuğu zaten 8 elektronla doludur, bu nedenle elektron kazanmaz veya kaybetmezler. Buna bir örnek, birinci kabuğunda 2 değerlik elektronu bulunan asal gaz helyumdur. Bu nedenle değerlik kabuğu doludur. Sütun VIII'deki tüm elementler tam değerlik kabuklarına sahiptir ve diğer elementlerle bağ oluşturmazlar.
Yukarıda görüldüğü gibi, elektron kazanma veya kaybetme sonucu net pozitif veya negatif yüke sahip bir atoma iyon denir. Genel olarak tablonun sol tarafındaki elementler elektron kaybeder ve katyon adı verilen pozitif iyonlar haline gelirler, çünkü bunlar elektrikli bir cihazda katoda çekilirler. Sağ taraftaki elementler elektron kazanma eğilimindedir. Bunlara anyon denir çünkü elektrikli bir cihazda anoda çekilirler. Periyodik tablonun merkezindeki elementler, 3 ila 15. sütunlar, sekizli kuralına tutarlı bir şekilde uymazlar. Bunlara geçiş elementleri denir. Yaygın bir örnek, elementin oksidasyon durumuna bağlı olarak +2 veya +3 yüke sahip olan demirdir. Oksitlenmiş Fe+3 +3 yük taşır ve indirgenmiş Fe+2 +2'dir. Demirin bu iki farklı oksidasyon durumu, minerallerini içeren kayalara genellikle dramatik renkler verir; oksitlenmiş form kırmızı renkler, indirgenmiş form ise yeşil renkler üretir.
İyonik Bağlar
Elektron-transfer bağları olarak da adlandırılan iyonik bağlar, zıt yüklere sahip atomlar arasındaki elektrostatik çekim ile oluşur. İki zıt yüke sahip atomlar birbirlerini elektrostatik olarak çeker ve pozitif iyonun elektronunu (veya elektronlarını) onları alan negatif iyona aktardığı bir iyonik bağ oluşturur. Bu transfer sayesinde her iki atom da tam bir değerlik kabuğuna ulaşır. Örneğin bir sodyum atomu (Na+1) ve bir klor atomu (Cl-1) iyonik bir bağ oluşturarak sodyum klorür (NaCl) bileşiğini meydana getirir. Bu aynı zamanda mineral halit veya sofra tuzu olarak da bilinir. Bir başka örnek de kalsiyum (Ca+2) ve klorun (Cl-1) birleşerek kalsiyum klorür (CaCl2) bileşiğini oluşturmasıdır. Alt simge 2, iki klor atomunun bir kalsiyum atomuna iyonik olarak bağlandığını gösterir.
Kovalent Bağlar
İyonik bağlar genellikle bir metal ile bir ametal arasında oluşur. Kovalent veya elektron paylaşımlı bağ olarak adlandırılan bir başka tür, genellikle ametaller arasında meydana gelir. Kovalent bağlar, değerlik kabuklarını tamamlamak için elektronları iyonlar arasında paylaşır. Örneğin, oksijenin (atom numarası 8) iç kabuğunda 2 ve değerlik kabuğunda 6 olmak üzere 8 elektronu vardır. Oksijen gibi gazlar genellikle değerlik elektronlarını paylaşarak iki atomlu moleküller oluşturur. Oksijen söz konusu olduğunda, iki atom birbirine bağlanır ve değerlik kabuklarını doldurmak için 2 elektron paylaşarak soluduğumuz ortak oksijen molekülüne (O2) dönüşür. Metan (CH4) kovalent bağlı bir başka gazdır. Karbon atomunun 4 elektrona ve her hidrojenin 1 elektrona ihtiyacı vardır. Her hidrojen, şekilde gösterildiği gibi bir molekül oluşturmak için elektronunu karbon ile paylaşır.
Sonraki Ders: Minerallerin Oluşumu
Yorumlar
Yorum Gönder