Bir parça kömüre bakalım.

Yanına küçük bir demir parçası koyalım.

Bir bardak suyun içindeki oksijeni doğrudan göremeyiz ama onun da orada olduğunu biliyoruz.

Karbon, demir ve oksijen aynı evrende bulunuyor. Hepsi atomlardan oluşuyor. Atomların hepsinde protonlar, nötronlar ve elektronlar var.

O halde neden biri karbon, biri demir, biri oksijen?

Aynı tür temel parçacıklardan oluşan atomlar nasıl birbirinden bu kadar farklı elementler meydana getiriyor?

Önceki derste cevabın ilk kısmını gördük:

Bir atomun hangi element olduğunu çekirdeğindeki proton sayısı belirler.

Ama bu yalnızca kimlik kartıdır.

Asıl ilginç soru şimdi başlıyor:

Proton sayısındaki küçük bir değişiklik neden maddenin davranışını bu kadar fazla değiştiriyor?

Element dediğimiz şey nedir?

Element, çekirdeğinde aynı sayıda proton bulunan atomların oluşturduğu türdür.

Hidrojen atomlarında bir proton vardır.

Helyumda iki.

Lityumda üç.

Karbonda altı.

Oksijende sekiz.

Demirde yirmi altı.

Altında yetmiş dokuz.

Bu sıralamada herhangi bir keyfî adlandırma yoktur.

Altı protonlu atomlara insanların “karbon” adını vermiş olması elbette bir dil meselesidir. Ama altı protonlu atom ile yedi protonlu atom arasındaki fiziksel fark bizim verdiğimiz isimden bağımsızdır.

Yedi proton varsa artık azot vardır.

Sekiz proton varsa oksijen.

Yani elementlerin ayrımı bir kataloglama tercihi değildir.

Çekirdeğin yapısındaki gerçek bir farktır.

Bir proton neden bu kadar şeyi değiştiriyor?

İlk bakışta tuhaf görünebilir.

Kocaman bir demir parçasıyla bir karbon parçasının arasındaki fark nasıl birkaç protondan başlayabilir?

Bunun nedeni protonların yalnızca çekirdeğin kütlesine katkıda bulunmaması.

Protonlar pozitif elektrik yükü taşır.

Bir atom elektriksel olarak yüksüz durumdaysa çekirdekte kaç proton varsa çevresinde de o kadar elektron bulunur.

Altı protonlu karbon atomunda, yüksüz durumda altı elektron vardır.

Sekiz protonlu oksijen atomunda sekiz elektron.

Yirmi altı protonlu demirde yirmi altı elektron.

Böylece çekirdekteki proton sayısı değiştiğinde yalnızca çekirdek değişmez.

Elektronların sayısı ve düzenlenişi de değişir.

İşte kimyanın büyük bölümü burada ortaya çıkar.

Atomların dış dünyayla ilişkisini elektronlar kurar

İki atom birbirine yaklaştığında çekirdekleri doğrudan yan yana gelip birbirine yapışmaz.

Kimyasal ilişkilerin büyük bölümü atomların elektronları üzerinden gerçekleşir.

Atomlar elektron paylaşabilir.

Elektron verebilir.

Elektron alabilir.

Böylece kimyasal bağlar ve moleküller oluşabilir.

Bu nedenle bir elementin davranışını anlamak için yalnızca:

“Kaç protonu var?”

diye sormak yetmez.

Şunu da sormamız gerekir:

Elektronları nasıl düzenlenmiştir?

Çünkü elektron düzeni, atomun başka atomlarla hangi ilişkileri kurmaya yatkın olduğunu büyük ölçüde belirler.

Karbon neden bu kadar çok yerde karşımıza çıkar?

Karbonun çekirdeğinde altı proton bulunur.

Ama yaşam açısından karbonu özellikle ilginç yapan şey yalnızca altı protonlu olması değildir.

Elektron yapısı karbonun başka atomlarla çok çeşitli ve kararlı bağlar kurmasına olanak verir.

Karbon başka karbon atomlarıyla bağ kurabilir.

Hidrojenle bağ kurabilir.

Oksijenle bağ kurabilir.

Azotla bağ kurabilir.

Uzun zincirler, halkalar ve çok karmaşık moleküler yapılar oluşturabilir.

Proteinler, yağlar, karbonhidratlar ve DNA gibi yaşam açısından önemli moleküllerin yapısında karbonun sürekli karşımıza çıkmasının önemli nedenlerinden biri budur.

Ama burada yine amaç fikrine dikkat etmek gerekiyor.

Karbon:

“Bir gün yaşam oluşacak, ona uygun davranayım”

diye bu özelliklere sahip değildir.

Karbonun fiziksel ve kimyasal özellikleri vardır; yaşam daha sonra bu olanakların bulunduğu bir dünyada ortaya çıkmıştır.

Oksijen neden karbon gibi davranmaz?

Oksijen atomunda sekiz proton vardır.

Yüksüz bir oksijen atomunda sekiz elektron bulunur.

Elektron düzeni karbonunkinden farklıdır.

Bu nedenle oksijenin başka atomlarla kurduğu bağların biçimi ve kimyasal tepkimelere girme eğilimi de farklıdır.

Oksijen çok çeşitli maddelerle tepkimeye girebilir.

Demirin paslanmasında oksijen vardır.

Yanma süreçlerinde oksijen önemli rol oynayabilir.

Solunumumuzda oksijenin oynadığı rol de belirli kimyasal tepkimelerle ilgilidir.

Aynı temel parçacıklardan oluşan iki atom, proton ve elektron sayılarındaki fark nedeniyle bambaşka kimyasal davranışlara sahip olabilir.

Dolayısıyla:

Elementlerin farklılığı yalnız çekirdeğin içinde kalmaz. Atomların birbirleriyle kurabileceği ilişkileri de değiştirir.

Periyodik tablo neden bir liste değildir?

Okulda periyodik tabloyla karşılaşınca çoğumuz renkli kutularla dolu büyük bir duvar görmüşüzdür.

H.

He.

Li.

Be.

Sonra onlarca başka kutu.

Bu tablo kolayca ezber malzemesine dönüşebilir.

Oysa periyodik tablonun asıl önemli tarafı elementlerin adlarını sıralaması değildir.

Tekrar eden davranışları göstermesidir.

Elementler atom numaralarına, yani proton sayılarına göre sıralandığında bazı kimyasal özelliklerin belirli aralıklarla tekrar ettiği görülür.

Bu tekrar tesadüf değildir.

Elektron düzenlerindeki tekrarlarla bağlantılıdır.

Bu nedenle bazı elementler birbirlerine daha çok benzer.

Bazıları belirli tür bağları daha kolay kurar.

Bazıları tepkimeye girmeye daha isteklidir.

Bazıları ise oldukça kararlıdır.

Periyodik tablo bu anlamda elementlerin telefon rehberi değildir.

Maddenin tekrar eden davranışlarının haritasıdır.

Neden helyum fazla tepkimeye girmez?

Bir balonun içindeki helyumu düşünelim.

Helyum elementinin atom yapısı oldukça kararlıdır.

Elektron düzeni nedeniyle başka atomlarla bağ kurmaya çok az eğilim gösterir.

Bu yüzden helyum, “soygazlar” dediğimiz grubun üyelerinden biridir.

Buna karşılık bazı başka elementler elektron düzenleri nedeniyle kimyasal tepkimelere çok daha kolay girer.

Demek ki elementler arasındaki fark yalnız:

“Birinin çekirdeğinde iki proton, diğerinde üç proton var”

şeklinde kalmaz.

Bu fark, atomun bütün elektron yapısına yayılır.

Sonra atomun başka atomlarla ilişkilerine yansır.

En sonunda bizim gözlemlediğimiz büyük ölçekli özellikler ortaya çıkar.

Birkaç parçacık farkından renk, sertlik ve koku nasıl çıkıyor?

Şimdi daha zor bir yere geldik.

Bir altın parçasının sarı görünmesi vardır.

Bakırın elektrik iletmesi vardır.

Demirin belirli koşullarda mıknatıslanabilmesi vardır.

Oksijenin gaz olması vardır.

Karbonun farklı düzenlenişlerde grafit veya elmas oluşturabilmesi vardır.

Bunların hiçbirini tek bir protonun üzerinde göremeyiz.

Bir proton “sarı” değildir.

Bir elektron “sert” değildir.

Bir nötron “metalik” değildir.

Bu özellikler çok sayıda parçacığın belirli biçimlerde örgütlenmesi ve birbirleriyle etkileşmesi sonucunda ortaya çıkar.

Bu, serimizin önemli fikirlerinden birini yeniden karşımıza çıkarıyor:

Bütünün özellikleri, parçaların isimlerini sıralayarak her zaman doğrudan görülemez.

Bir elmas ile bir kalem ucundaki grafitte büyük ölçüde aynı element vardır:

Karbon.

Ama karbon atomları farklı biçimlerde örgütlenmiştir.

Sonuçta biri son derece sert bir yapı oluştururken diğeri çok daha kolay aşınabilir.

Demek ki yalnızca:

“İçinde ne var?”

sorusu yeterli değildir.

Şunu da sormalıyız:

Nasıl bir araya gelmişler?

Aynı element neden farklı biçimlerde bulunabilir?

Element kimliği proton sayısıyla belirlenir.

Ama elementin atomları farklı düzenlerde bir araya gelebilir.

Karbon bunun iyi bir örneğidir.

Elmasta karbon atomları belirli bir üç boyutlu ağ oluşturur.

Grafitte ise karbon atomlarının örgütlenmesi farklıdır.

İkisinde de karbon atomları vardır.

Ama maddelerin özellikleri farklıdır.

Burada çok önemli bir ayrım ortaya çıkar:

Elementin kimliği ile maddi yapının özellikleri aynı şey değildir.

“Bu karbondur” demek bize önemli bir bilgi verir.

Ama o karbon atomlarının nasıl örgütlendiğini söylemez.

Dolayısıyla doğayı açıklamak için bazen parçaların ne olduğunu, bazen de parçalar arasındaki ilişkileri bilmemiz gerekir.

Çoğu zaman ikisine birden ihtiyaç duyarız.

Nötron sayısı değişirse ne olur?

Önceki derste izotoplardan söz etmiştik.

Karbon atomlarının hepsinde altı proton vardır.

Ama hepsinde aynı sayıda nötron bulunmak zorunda değildir.

Karbon-12, karbon-13 ve karbon-14 gibi farklı izotoplar bulunabilir.

Hepsi karbondur.

Çünkü hepsinin çekirdeğinde altı proton vardır.

Fakat kütleleri ve bazı nükleer özellikleri farklıdır.

Karbon-14 kararsızdır ve zamanla bozunur.

Bu özelliği sayesinde geçmişte yaşamış bazı organik maddelerin yaşını belirlemekte kullanılabilir.

Bu örnek bize atom kimliğinin tek katmanlı olmadığını gösteriyor.

Proton sayısı elementi belirler.

Nötron sayısı aynı elementin farklı izotoplarını oluşturabilir.

Elektronların durumu ise atomun elektrik yükünü ve kimyasal ilişkilerini etkileyebilir.

Atom dediğimiz şey basit bir bilye değildir.

Bir yapıdır.

Bir elektron eksilirse element değişir mi?

Hayır.

Bir sodyum atomunun bir elektron kaybettiğini düşünelim.

Çekirdeğindeki proton sayısı değişmez.

Dolayısıyla hâlâ sodyumdur.

Ama artık elektriksel olarak yüksüz değildir.

Pozitif yüklü bir iyon haline gelir.

Benzer biçimde bir atom elektron kazanabilir ve negatif yüklü iyon olabilir.

Bu fark önemli.

Çünkü kimyasal tepkimelerde elektron alışverişleri sürekli gerçekleşebilir.

Ama her elektron alışverişinde elementler başka elementlere dönüşmez.

Elementin değişmesi için çekirdekteki proton sayısının değişmesi gerekir.

Böylece kimya ile nükleer süreçler arasındaki temel farklardan birini yeniden görebiliriz.

Elektronların yeniden düzenlenmesi kimyayı değiştirebilir.
Proton sayısının değişmesi elementin kimliğini değiştirir.

Elementler hep var mıydı?

Şimdi asıl büyük soruya yaklaşıyoruz.

Hidrojen bir element.

Karbon bir element.

Oksijen bir element.

Demir bir element.

Altın bir element.

Bugün bunları aynı periyodik tabloda yan yana görüyoruz.

Bu, sanki bütün elementler evren başladığı andan beri hazırmış gibi bir izlenim yaratabilir.

Ama öyle değildir.

Evrenin çok erken döneminde bugünkü element çeşitliliği yoktu.

Başlangıçta özellikle hidrojen ve helyum gibi hafif elementler baskındı.

Karbon, oksijen ve demir gibi pek çok element daha sonra yıldızların içindeki süreçlerle oluştu.

Bazı daha ağır elementlerin oluşumunda süpernovalar ve nötron yıldızı birleşmeleri gibi çok daha şiddetli olaylar rol oynadı.

Yani periyodik tablo yalnızca “maddenin çeşitleri” tablosu değildir.

Bir bakıma:

evrenin maddi tarihinin de izlerini taşır.

Tablodaki bütün kutular aynı anda doldurulmadı.

Demir bizden önce vardı

Kanımızdaki demiri düşünelim.

Demir atomlarının çekirdeğinde 26 proton vardır.

İnsan bedeni bu protonları üretmez.

Bitki de üretmez.

Toprak da demiri sıfırdan yapmaz.

Demir atomlarının tarihi Dünya’nın oluşumundan önceye uzanabilir.

İşte ilk derste başladığımız soruya yeniden yaklaşıyoruz:

Bedenimizi oluşturan madde nereden geldi?

Artık cevabımız biraz daha ayrıntılı.

Bedenimiz yalnızca “atomlardan” oluşmuyor.

Belirli elementlerin atomlarından oluşuyor.

Bu elementlerin her birinin de ayrı bir kozmik tarihi var.

Hidrojenin geçmişi başka.

Karbonun başka.

Oksijenin başka.

Demirin başka.

Ve bu maddeler insan ortaya çıkmadan milyarlarca yıl önce farklı fiziksel süreçlerden geçmiş olabilir.

Elementlerin bir amacı yoktur

Burada yine bir sınır çizmek gerekiyor.

Karbon yaşam için önemlidir.

Oksijen bizim yaşam biçimimiz açısından önemlidir.

Demir kanımızdaki bazı temel süreçlerde rol oynar.

Kalsiyum kemiklerimizde bulunur.

Ama bunlardan:

“Evren insan bedenini hazırlıyordu”

sonucu çıkmaz.

Bu elementler insan ortaya çıkmadan çok önce vardı.

İnsan bedeni de var olan maddi olanakların belirli bir tarih içinde örgütlenmiş biçimlerinden biridir.

Bu nedenle şöyle söylemek daha doğru olur:

Elementler bizim için üretilmedi. Biz, elementlerin zaten var olduğu bir evrende ortaya çıktık.

Bu küçük fark, iki bütünüyle farklı dünya anlayışına açılır.

Başlangıçtaki kömüre geri dönelim

Bir parça karbonumuz vardı.

Yanında demir vardı.

Oksijeni de düşündük.

Hepsinin atomlarında protonlar, nötronlar ve elektronlar var.

Ama proton sayıları farklı.

Bu fark elektron düzenlerini değiştiriyor.

Elektron düzenleri kimyasal ilişkileri etkiliyor.

Atomların nasıl bağlandığı büyük ölçekli maddelerin özelliklerini değiştiriyor.

Böylece küçücük yapısal farklardan muazzam bir madde çeşitliliği ortaya çıkıyor.

Fakat artık yeni bir sorumuz var.

Bu elementlerin bugünkü farklılıklarını anlayabiliyoruz.

Peki onları oluşturan atomlar ne zamandan beri var?

Karbon atomlarımız ne kadar eski?

Kanımızdaki demir bizden ne kadar önce oluştu?

Bir bardak sudaki hidrojenin tarihi nereye kadar gidiyor?

Bir sonraki ders:

05.05 — Bedenimizdeki Atomlar Bizden Ne Kadar Eskidir?

Sözlük

Element: Çekirdeğinde aynı sayıda proton bulunan atomların oluşturduğu madde türü.

Atom numarası: Bir atomun çekirdeğindeki proton sayısı. Elementin kimliğini belirler.

Elektron düzeni: Elektronların atom içinde bulunabileceği kuantum durumlarının düzenlenişi; elementlerin kimyasal davranışlarıyla yakından ilişkilidir.

Kimyasal bağ: Atomların elektronlarıyla ilişkili olarak birbirleriyle oluşturdukları bağ.

İyon: Elektron alması veya kaybetmesi nedeniyle elektrik yükü taşıyan atom ya da molekül.

İzotop: Proton sayısı aynı, nötron sayısı farklı olan aynı element atomları.

Periyodik tablo: Elementleri atom numaraları ve tekrar eden özellikleri temelinde düzenleyen tablo.

Soygaz: Elektron yapıları nedeniyle kimyasal tepkimelere genellikle düşük eğilim gösteren elementler grubu.

Bu dersin temel cümlesi:

Elementleri birbirinden ayıran proton sayısıdır; onların dünyadaki çeşitliliğini ise elektronlarından kurdukları ilişkilere kadar uzanan bütün bir yapı belirler.