Atomlar Arası Etkileşimler
kaynağı değiştir]
Bir bağın oluşabilmesi için atomlar tek başına bulundukları zamankinden daha kararlı (az enerjiye sahip) olmalıdırlar. Genelleme yapmak gerekirse bağlar oluşurken dışarıya enerji verirler. Atomlar bağ yaparken, elektron dizilişlerinisoygazlara benzetmeye çalışırlar. Bir atomun yapabileceği bağ sayısı, sahip olduğu veya az enerji ile sahip olabileceği yarı dolu orbital sayısına eşittir.
Atomlar birleştiği zaman elektron dağılımındaki değişmelerin bir sonucu olarak kimyasal bağlar meydana gelir. Üç çeşit temel bağ vardır. Bu üç bağ çeşidi şunlardır[1]:
- İyonik bağlar, elektronlar bir atomdan diğerine aktarıldığı zaman meydana gelen bağlara verilen addır. Tepkimeye giren elementlerden birinin atomları, elektron kaybedip pozitif yüklü iyonlara dönüşürken, diğer elementin atomları elektron kazanıp negatif yüklü iyon oluştururlar. Böylece zıt (artı-eksi) bir şekilde yüklenmiş iyonlar arasındaki elektrostatik çekim kuvveti, söz konusu iyonları bir kristal içinde tutar.
- Kovalent bağlar, elektronların bir atomdan diğerine aktarılmaksızın ortaklaşa kullanıldığı bağlara denir. Tek kovalent bağ, iki atom tarafından bölünmüş yani ortaklaşa kullanılan bir elektron çiftinden ibarettir. Moleküller birbirlerine kovalent bağlarla bağlanmış atomlardan meydana gelir.
- Metalik bağlar, metal ve alaşımlarda bulunan bağlardır. Metal atomları üç boyutlu bir yapı içinde düzenlenirler. Bu atomların en dış elektronları, yapının her tarafında serbestçe dolaşır ve atomların birbirlerine bağlanmasını sağlarlar.
İyonik Bağ[değiştir Kendisi Zayıf, Etkisi Büyük: Moleküller Arası Etkileşimler
Tandi Plant - EyeEm / Getty Images
Üç milyar nükleotidden oluşan DNA, mikro ölçekteki hücre çekirdeğinin içine nasıl sığabiliyor? Kertenkeleler nasıl düz duvarda yürüyebiliyor? Su donarken neden genleşiyor? Bu soruların cevaplarının hepsi bir kavramla ilişkili: moleküller arası zayıf etkileşimler.
Moleküller arası etkileşimler lise eğitimi sırasında kimya derslerinde karşılaştığımız bir konu. Bu etkileşimlerin sayısal büyüklüğü çok yüksek olmasa da etkilerini çevremizde belirgin bir şekilde hissediyoruz. Peki moleküler ölçekteki bu etkileşimlerin nasıl ortaya çıktığını ve fark edebileceğimiz ölçekte hangi etkileri olduğunu öğrenmek ister misiniz?
İlk olarak atom ölçeğinde kimyasal türler arasında ne tür etkileşimler olduğunu açıklayalım. Çünkü moleküller arası etkileşimler bu konunun bir alt dalı olarak kabul edilebilir.
Atom ölçeğinde farklı türdeki tanecikler (örneğin atom, iyon, molekül, radikal) arasında farklı etkileşimler ortaya çıkabilir. Bu etkileşimleri kimyasal türler arası güçlü etkileşimler ve kimyasal türler arası zayıf etkileşimler olarak sınıflandırabiliriz. Kimyasal türler arası güçlü etkileşimler bir molekülü oluşturan atomları bir arada tutan kuvvetler yani kimyasal bağlardır. Kimyasal türler arası zayıf etkileşimler ise moleküller arasında ortaya çıkan kuvvetlerdir.
iStock
Kimyasal Türler Arası Zayıf Etkileşimler
Kimyasal türler arasındaki güçlü etkileşimlerin, molekülleri oluşturan atomların arasındaki kimyasal bağlardan kaynaklandığını daha önce açıklamıştık. Kimyasal türler arası zayıf etkileşimler ise moleküller arasında ortaya çıkar. Bu kuvvetlerin nicel değeri yüksek olmasa da etkilerini çevremizde belirgin bir şekilde fark edebiliriz.
Örneğin birçok maddenin yoğunluğu sıvı hâlden katı hâle geçerken artar. Ancak su, bu durumun istisnalarından biridir. Çünkü buzun yoğunluğu sıvı suyun yoğunluğundan düşüktür. Bu durumun nedeni, bir su molekülündeki hidrojen atomu ile komşu bir su molekülündeki oksijen atomu arasında oluşan hidrojen bağlarıdır. Hidrojen bağı, kimyasal türler arasında ortaya çıkan zayıf etkileşimlerden biridir.
Kimyasal türler arasında ortaya çıkan zayıf etkileşimleri temel olarak hidrojen bağı ve Van der Waals kuvvetleri olarak iki başlıkta ele alabiliriz.
Hidrojen Bağı
Hidrojen bağı; hidrojenin oksijen, azot, flor gibi elektronegatifliği yüksek elementlerle oluşturduğu moleküller arasında ortaya çıkar. Adında “bağ” ifadesi geçse de hidrojen bağı, bir kimyasal bağ türü değildir. Çünkü kimyasal bağlarda atomların değerlik elektronlarının alışverişi ya da ortaklaşa kullanılması söz konusuyken, moleküller arası etkileşimlerde değerlik elektronları yer almaz.
Hidrojen elektronegatifliği yüksek bir elementle kovalent bağ kurduğunda, bağ oluşumunda yer alan elektronlar elektronegatifliği yüksek elementin atomları tarafından daha fazla çekilir. Bu nedenle elektronegatifliği yüksek atomun üzerinde eksi yük yoğunluğu hidrojene kıyasla daha yüksektir. Sonuçta elektronegatifliği yüksek atom kısmen eksi yükle (𝛿-) yüklenirken, hidrojen kısmen artı yüke (𝛿+) sahiptir. Bu durum molekülün polar yani kutuplu olmasına yol açar. Polar moleküldeki kısmen artı yüklü (𝛿+) hidrojen atomu ile komşu moleküldeki kısmen eksi yüklü (𝛿-) atom arasında elektrostatik bir çekim kuvveti ortaya çıkar. Bu etkileşim hidrojen bağı olarak isimlendirilir.
Jonas Reuel / iStock
Suyun ilginç ve kendine özgü birçok özelliğinin temelinde hidrojen bağı yer alır. Örneğin kaynama noktasının yüksek olması, donarken genleşmesi, ısı kapasitesinin -yani sıcaklığını 1 oC yükseltmek için gerekli olan ısı miktarının- yüksek olmasının nedeni suyun hidrojen bağı oluşturabilmesidir. Ayrıca hidrojen bağı, suyun yüzey geriliminin yüksek olmasına neden olur. Bu da su damlacıklarının küresel şekle sahip olmasına yol açar ve bazı canlıların suyun yüzeyinde yürüyebilmesini mümkün kılar.
Science Photo Library / Getty Images
Yüzey gerilimi, sıvıların yüzeyinde oluşan ve yüzeyin esnek bir zar gibi davranmasını sağlayan kuvvettir. Suyun yüzey gerilimi, su molekülleri arasında ortaya çıkan hidrojen bağları nedeniyle yüksektir.
Hidrojen bağlarının canlı yaşamın devam edebilmesinde birçok rolü var. Hidrojen bağı, proteinlerin kendilerine özgü üç boyutlu yapılar oluşturmalarını ve bu şekillerini korumalarını sağlar. Örneğin canlılarda genetik bilgiyi taşıyan molekül olan DNA’nın yapısında birbirine sarmal şekilde bağlı iki zincir bulunur. Hidrojen bağları iki DNA zincirinin birbirine tutunmasını sağlar.
Rujirat Boonyong / iStock
İki DNA zincirindeki azotlu bazlar arasında oluşan hidrojen bağları, DNA’nın ikili sarmal yapıda bulunmasını sağlar.
Hidrojen bağları en güçlü moleküller arası zayıf etkileşim türüdür.
Van Der Waals Kuvvetleri
Moleküller arası etkileşimler ilk defa Hollandalı fizikçi Johannes van der Waals tarafından yılında tamamladığı doktora tezinde kuramsal olarak ortaya kondu. Bu nedenle moleküller arasındaki etkileşimler van der Waals kuvvetleri olarak bilinir.
Van der Waals kuvvetlerinin farklı türleri vardır. Dipol-dipol etkileşimleri olarak isimlendirilen moleküller arası etkileşim türü, polar bir molekül ile başka bir polar molekül arasında oluşur.
Bacsica / iStock
Polar moleküllerde elektron yük dağılımı dengeli değildir. Bu nedenle molekülün bir bölümü kısmen artı (𝛿+), bir bölümü ise kısmen eski (𝛿-) yüklüdür.
Örneğin hidrojen klorür polar bir moleküldür. Çünkü klor elementinin elektronegatifliği hidrojeninkinden büyüktür. Dolayısıyla hidrojen klorür molekülünde, klor atomları bağ oluşumunda kullanılan elektronları hidrojen atomlarına kıyasla daha fazla çeker. Bu nedenle hidrojen klorür molekülünde hidrojen atomları kısmen artı (𝛿+), klor atomları ise kısmen eksi (𝛿−) yüklüdür. Sonuçta farklı hidrojen klorür molekülleri bir araya geldiğinde zıt kutuplu atomlar arasında elektriksel bir çekim kuvveti ortaya çıkar. Buna dipol-dipol etkileşimi adı verilir.
ePhotocorp / iStock
Kertenkelelerin ayaklarında mikro ölçekte ince tüyler bulunur.
Kertenkelelerin düz duvarda yürüyebilmesinin nedeni van der Waals kuvvetleridir. Kertenkelelerin ayaklarında temel olarak keratin proteininden meydana gelen ve setae adı verilen çok ince tüyler vardır. Bu ince tüylerin uçları duvara temas ettiğinde duvarla tüyler arasında van der Waals kuvvetleri oluşur. Bu sayede kertenkeleler kendi ağırlıklarını taşıyabilir.
Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri
Dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri ise polar bir molekül ile apolar yani polar olmayan bir molekül arasında ortaya çıkar.
Polar bir molekül, apolar bir moleküle yeterince yakınlaşırsa geçici olarak apolar moleküldeki elektriksel yüklerin dengeli dağılmasını engelleyebilir. Örneğin apolar moleküldeki eksi yükler polar molekülün kısmen artı bölgesine yakın olan kısımlarında yoğunlaşabilir ve kısmen eksi (𝛿-) yüklenir. Apolar molekülün, polar molekülün kısmen eksi olan bölgesine yakın kısımları ise kısmen artı (𝛿+) yüklü hâle geçer. Bu durum indüklenmiş polar olarak isimlendirilir.
Polar molekül ile indüklenme sonucu geçici olarak kutuplu hâle gelen apolar molekülün zıt kutupları arasında ortaya çıkan elektriksel çekim kuvveti dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri olarak isimlendirilir.
London Kuvvetleri
London kuvvetleri, moleküller arası etkileşimlerin en zayıf olanıdır. Polar ya da apolar olsun, tüm moleküller arasında ortaya çıkabilir.
Çekirdek etrafındaki elektronlar sürekli hareket hâlindedir. Bunun sonucu olarak zaman zaman atom ya da molekülün etrafında belirli bölgelerde yoğunlaşabilirler. Bu durumda elektronların yoğunlaştığı bölge kısmen eksi (𝛿-), diğer bölümler ise kısmen artı (𝛿+) yükle yüklenir. Elektriksel yük dağılımının dengesiz olduğu bu durumda, molekül başka bir moleküle yeterince yakınsa diğer molekülün yük dağılımının da geçici olarak dengesizleşmesine neden olabilir. Geçici olarak kutuplu hâle geçen iki molekülün zıt kutupları arasında oluşan elektriksel çekim kuvveti London kuvvetleri (London diopersiyon kuvvetleri olarak da bilinir.) olarak isimlendirilir.
London kuvvetleri, molekülleri oluşturan atomların elektron sayısı arttıkça büyür.
Kaynaklar:
nest...
Kendisi Zayıf, Etkisi Büyük: Moleküller Arası Etkileşimler
Tandi Plant - EyeEm / Getty Images
Üç milyar nükleotidden oluşan DNA, mikro ölçekteki hücre çekirdeğinin içine nasıl sığabiliyor? Kertenkeleler nasıl düz duvarda yürüyebiliyor? Su donarken neden genleşiyor? Bu soruların cevaplarının hepsi bir kavramla ilişkili: moleküller arası zayıf etkileşimler.
Moleküller arası etkileşimler lise eğitimi sırasında kimya derslerinde karşılaştığımız bir konu. Bu etkileşimlerin sayısal büyüklüğü çok yüksek olmasa da etkilerini çevremizde belirgin bir şekilde hissediyoruz. Peki moleküler ölçekteki bu etkileşimlerin nasıl ortaya çıktığını ve fark edebileceğimiz ölçekte hangi etkileri olduğunu öğrenmek ister misiniz?
İlk olarak atom ölçeğinde kimyasal türler arasında ne tür etkileşimler olduğunu açıklayalım. Çünkü moleküller arası etkileşimler bu konunun bir alt dalı olarak kabul edilebilir.
Atom ölçeğinde farklı türdeki tanecikler (örneğin atom, iyon, molekül, radikal) arasında farklı etkileşimler ortaya çıkabilir. Bu etkileşimleri kimyasal türler arası güçlü etkileşimler ve kimyasal türler arası zayıf etkileşimler olarak sınıflandırabiliriz. Kimyasal türler arası güçlü etkileşimler bir molekülü oluşturan atomları bir arada tutan kuvvetler yani kimyasal bağlardır. Kimyasal türler arası zayıf etkileşimler ise moleküller arasında ortaya çıkan kuvvetlerdir.
iStock
Kimyasal Türler Arası Zayıf Etkileşimler
Kimyasal türler arasındaki güçlü etkileşimlerin, molekülleri oluşturan atomların arasındaki kimyasal bağlardan kaynaklandığını daha önce açıklamıştık. Kimyasal türler arası zayıf etkileşimler ise moleküller arasında ortaya çıkar. Bu kuvvetlerin nicel değeri yüksek olmasa da etkilerini çevremizde belirgin bir şekilde fark edebiliriz.
Örneğin birçok maddenin yoğunluğu sıvı hâlden katı hâle geçerken artar. Ancak su, bu durumun istisnalarından biridir. Çünkü buzun yoğunluğu sıvı suyun yoğunluğundan düşüktür. Bu durumun nedeni, bir su molekülündeki hidrojen atomu ile komşu bir su molekülündeki oksijen atomu arasında oluşan hidrojen bağlarıdır. Hidrojen bağı, kimyasal türler arasında ortaya çıkan zayıf etkileşimlerden biridir.
Kimyasal türler arasında ortaya çıkan zayıf etkileşimleri temel olarak hidrojen bağı ve Van der Waals kuvvetleri olarak iki başlıkta ele alabiliriz.
Hidrojen Bağı
Hidrojen bağı; hidrojenin oksijen, azot, flor gibi elektronegatifliği yüksek elementlerle oluşturduğu moleküller arasında ortaya çıkar. Adında “bağ” ifadesi geçse de hidrojen bağı, bir kimyasal bağ türü değildir. Çünkü kimyasal bağlarda atomların değerlik elektronlarının alışverişi ya da ortaklaşa kullanılması söz konusuyken, moleküller arası etkileşimlerde değerlik elektronları yer almaz.
Hidrojen elektronegatifliği yüksek bir elementle kovalent bağ kurduğunda, bağ oluşumunda yer alan elektronlar elektronegatifliği yüksek elementin atomları tarafından daha fazla çekilir. Bu nedenle elektronegatifliği yüksek atomun üzerinde eksi yük yoğunluğu hidrojene kıyasla daha yüksektir. Sonuçta elektronegatifliği yüksek atom kısmen eksi yükle (𝛿-) yüklenirken, hidrojen kısmen artı yüke (𝛿+) sahiptir. Bu durum molekülün polar yani kutuplu olmasına yol açar. Polar moleküldeki kısmen artı yüklü (𝛿+) hidrojen atomu ile komşu moleküldeki kısmen eksi yüklü (𝛿-) atom arasında elektrostatik bir çekim kuvveti ortaya çıkar. Bu etkileşim hidrojen bağı olarak isimlendirilir.
Jonas Reuel / iStock
Suyun ilginç ve kendine özgü birçok özelliğinin temelinde hidrojen bağı yer alır. Örneğin kaynama noktasının yüksek olması, donarken genleşmesi, ısı kapasitesinin -yani sıcaklığını 1 oC yükseltmek için gerekli olan ısı miktarının- yüksek olmasının nedeni suyun hidrojen bağı oluşturabilmesidir. Ayrıca hidrojen bağı, suyun yüzey geriliminin yüksek olmasına neden olur. Bu da su damlacıklarının küresel şekle sahip olmasına yol açar ve bazı canlıların suyun yüzeyinde yürüyebilmesini mümkün kılar.
Science Photo Library / Getty Images
Yüzey gerilimi, sıvıların yüzeyinde oluşan ve yüzeyin esnek bir zar gibi davranmasını sağlayan kuvvettir. Suyun yüzey gerilimi, su molekülleri arasında ortaya çıkan hidrojen bağları nedeniyle yüksektir.
Hidrojen bağlarının canlı yaşamın devam edebilmesinde birçok rolü var. Hidrojen bağı, proteinlerin kendilerine özgü üç boyutlu yapılar oluşturmalarını ve bu şekillerini korumalarını sağlar. Örneğin canlılarda genetik bilgiyi taşıyan molekül olan DNA’nın yapısında birbirine sarmal şekilde bağlı iki zincir bulunur. Hidrojen bağları iki DNA zincirinin birbirine tutunmasını sağlar.
Rujirat Boonyong / iStock
İki DNA zincirindeki azotlu bazlar arasında oluşan hidrojen bağları, DNA’nın ikili sarmal yapıda bulunmasını sağlar.
Hidrojen bağları en güçlü moleküller arası zayıf etkileşim türüdür.
Van Der Waals Kuvvetleri
Moleküller arası etkileşimler ilk defa Hollandalı fizikçi Johannes van der Waals tarafından yılında tamamladığı doktora tezinde kuramsal olarak ortaya kondu. Bu nedenle moleküller arasındaki etkileşimler van der Waals kuvvetleri olarak bilinir.
Van der Waals kuvvetlerinin farklı türleri vardır. Dipol-dipol etkileşimleri olarak isimlendirilen moleküller arası etkileşim türü, polar bir molekül ile başka bir polar molekül arasında oluşur.
Bacsica / iStock
Polar moleküllerde elektron yük dağılımı dengeli değildir. Bu nedenle molekülün bir bölümü kısmen artı (𝛿+), bir bölümü ise kısmen eski (𝛿-) yüklüdür.
Örneğin hidrojen klorür polar bir moleküldür. Çünkü klor elementinin elektronegatifliği hidrojeninkinden büyüktür. Dolayısıyla hidrojen klorür molekülünde, klor atomları bağ oluşumunda kullanılan elektronları hidrojen atomlarına kıyasla daha fazla çeker. Bu nedenle hidrojen klorür molekülünde hidrojen atomları kısmen artı (𝛿+), klor atomları ise kısmen eksi (𝛿−) yüklüdür. Sonuçta farklı hidrojen klorür molekülleri bir araya geldiğinde zıt kutuplu atomlar arasında elektriksel bir çekim kuvveti ortaya çıkar. Buna dipol-dipol etkileşimi adı verilir.
ePhotocorp / iStock
Kertenkelelerin ayaklarında mikro ölçekte ince tüyler bulunur.
Kertenkelelerin düz duvarda yürüyebilmesinin nedeni van der Waals kuvvetleridir. Kertenkelelerin ayaklarında temel olarak keratin proteininden meydana gelen ve setae adı verilen çok ince tüyler vardır. Bu ince tüylerin uçları duvara temas ettiğinde duvarla tüyler arasında van der Waals kuvvetleri oluşur. Bu sayede kertenkeleler kendi ağırlıklarını taşıyabilir.
Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri
Dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri ise polar bir molekül ile apolar yani polar olmayan bir molekül arasında ortaya çıkar.
Polar bir molekül, apolar bir moleküle yeterince yakınlaşırsa geçici olarak apolar moleküldeki elektriksel yüklerin dengeli dağılmasını engelleyebilir. Örneğin apolar moleküldeki eksi yükler polar molekülün kısmen artı bölgesine yakın olan kısımlarında yoğunlaşabilir ve kısmen eksi (𝛿-) yüklenir. Apolar molekülün, polar molekülün kısmen eksi olan bölgesine yakın kısımları ise kısmen artı (𝛿+) yüklü hâle geçer. Bu durum indüklenmiş polar olarak isimlendirilir.
Polar molekül ile indüklenme sonucu geçici olarak kutuplu hâle gelen apolar molekülün zıt kutupları arasında ortaya çıkan elektriksel çekim kuvveti dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri olarak isimlendirilir.
London Kuvvetleri
London kuvvetleri, moleküller arası etkileşimlerin en zayıf olanıdır. Polar ya da apolar olsun, tüm moleküller arasında ortaya çıkabilir.
Çekirdek etrafındaki elektronlar sürekli hareket hâlindedir. Bunun sonucu olarak zaman zaman atom ya da molekülün etrafında belirli bölgelerde yoğunlaşabilirler. Bu durumda elektronların yoğunlaştığı bölge kısmen eksi (𝛿-), diğer bölümler ise kısmen artı (𝛿+) yükle yüklenir. Elektriksel yük dağılımının dengesiz olduğu bu durumda, molekül başka bir moleküle yeterince yakınsa diğer molekülün yük dağılımının da geçici olarak dengesizleşmesine neden olabilir. Geçici olarak kutuplu hâle geçen iki molekülün zıt kutupları arasında oluşan elektriksel çekim kuvveti London kuvvetleri (London diopersiyon kuvvetleri olarak da bilinir.) olarak isimlendirilir.
London kuvvetleri, molekülleri oluşturan atomların elektron sayısı arttıkça büyür.
Kaynaklar: