SU VE KİMYASAL BAĞLAR Yrd. Doç. Dr. Osman İBİŞ
Kimyasal Bağlar ve Çeşitleri Nelerdir? Kimyasal bağ, çekirdekteki atomları bir arada tutan kuvvettir. İki ya da daha fazla atom arasında elektron alışverişi veya ortak kullanımı ile kimyasal bağlar oluşmaktadır. Atomlar tek başına bulundukları zamankinden daha düşük enerjili duruma (daha kararlı) erişmek için bir araya gelirler ve kimyasal bağlar sayesinde atomlar bir arada, düzenli olarak belli bir geometri oluştururlar. Bu geometriyi oluştururken amaç elektron dizilişlerini soy gazlara benzetmeye çalışmaktır. Birçok fiziksel özellik elektriksel bağların cinsine bağlıdır ve bu kimyasal bağlar ile farklı maddeler meydana gelmektedir. Kimyasal bağın kuvvetli olması sertliğini ve erime noktasını yükseltir.
Atomlar Neden Soygazlara Benzemek İsterler? Soygazlar kararlı bir yapıya sahiptir ve elektron alıp verme eğilimleri yoktur. Yani denge halindedirler ve en dış elektron kabukları tamamen elektronlarla doludur. Periyodik cetvelin en kararlı grubu olmalarından dolayı diğer bütün elementler soygazlara benzeyebilmek için elektron alışverişi veya ortak kullanımına girerler. Elementin, son yörüngesinde 2 elektron bulunan He (helyum) soygazına benzemek istemesi dublete(2 ye) varmasıdır. Diğer son yörüngelerinde 8 elektron bulunan soygazlara benzemek istemesi ise oktede (8 e) varmasıdır. Soygazların kararlı olması ve boş orbitallerinin bulunmaması normal şartlarda onlara bağ yapma özelliği vermez.
İyonik bağı yapan atomlardan elektron veren (+) yüklü, elektron alan ( ) yüklü iyon olur ve zıt çekim kuvveti iyonları bir kristal içinde tutar. Bu kuvvetli çekim iyonik bağlı bileşikleri ayrıştırmayı zorlaştırır. Atomlardan biri, elektron kaybedip pozitif yüklü iyona dönüşürken, diğer atom elektron kazanıp negatif yüklü iyonu oluşturur. Son durumda kaybedilen ve kazanılan elektron sayıları eşit olmaktadır.
Atomlardan elektron kaybı sonucu oluşan pozitif (+) iyonlara katyon; elektron kazanarak oluşan negatif (-) iyonlara ise anyon denilmektedir.
Bazı ametal atomlarının atomları kendi aralarında kararlı yapıya ulaşmak için son yörüngedeki bazı elektronlarını ortak kullanırlar. Ortaklaşa kullanılarak oluşturulan bağa kovalent bağ ve oluşan bileşiklere kovalent bağlı bileşikler denir. Kovalent bağların oluşması sırasında herhangi bir elektron aktarımı gerçekleşmez. Örneğin, C, N, S, F, Cl, Br, I, O ve H elementlerinin kendi aralarında oluşturdukları bileşikler kovalent bağlı bileşiklerdir.
Kovalent bağlı bileşikleri apolar kovalent ve polar kovalent bağ olmak üzere ikiye ayırırız.
İki atomun elektron çekme yetenekleri arasındaki farkın büyüklüğü arttıkça kimyasal bağ daha polar hale gelmektedir.
Metallerde değerlik (valens) elektronlar, atom çekirdekleri tarafından kuvvetli tutulmazlar. Bunun sebebi metallerin iyonlaşma enerjilerinin ve elektronegatifliklerinin oldukça düşük olmasıdır. Böylece metal atomlarının en dış elektronları nispeten gevşek tutulmaktadır. Bu bağ metal atomlarının değerlik elektronlarını bir elektron bulutuna vermesi ile oluşan bağdır ve bu şekilde elektronlar serbestçe hareket edebilmektedirler. Bu da metallerde yüksek ısı ve elektrik iletkenliğine sebep olur. İyonlaşma enerjisi azaldıkça metalik bağlar zayıflamakta ve değerlik elektronları sayısı artıkça metalik bağ kuvveti artmaktadır.
SU
Canlı sistemlerin en önemli maddesi olan su organizmaların çoğunun ağırlığının %70 veya daha fazlasını oluşturur. İlk canlı organizmaların sulu bir ortamda oluştuğuna şüphe yoktur ve evrim süreci, hayatın başladığı sulu ortamın özellikleri doğrultusunda şekillenmiştir. Su molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri ve suyun az da olsa iyanlaşmaya olan eğilimi biyomoleküllerin yapı ve görevlerinin oluşmasında büyük öneme sahiptir.
Su molekülü ve bunun iyonizasyon ürünleri olan H+ ve OH- proteinleri, nükleik asitleri ve lipitleri de içerisine alan hücresel bileşenlerin yapılarını, kendiliğinden bir araya gelmelerini ve özelliklerini derinden etkiler. Biyomoleküllerin "tanınma" özgüllüğünden ve gücünden sorumlu olan nonkovalent etkileşimlere suyun çözücü özelliği yön verir.
Sulu Sistemlerdeki Zayıf Etkileşimler Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları, suyu oda sıcaklığında sıvı halde tutan ve kristal haldeki su (buz)'da olduğu gibi molekülleri çok düzenli bir halde bulunduran kohesif (bağlayıcı) kuvvetleri oluşturur. Polar yapıdaki biyomoleküller suda çabucak çözünür, çünkü bunlar su-su etkileşmeleri yerine enerji bakımından daha uygun olan su-katı etkileşmelerini koyarlar. Polar olmayan biyomoleküller ise, su-su etkileşimlerini engellerler ancak, su-katı etkileşimi oluşturamadıklarından suda çok zayıf çözünürlük gösterirler.
Polar olmayan moleküller sulu çözeltilerde bir araya gelerek kümeler oluşturma eğilimindedir. Hidrojen bağları, iyonik bağlar, hidrofobik (Yunanca, "sudan korkan") ve Van der Waals etkileşimleri tek tek zayıf etkileşimlerdir, ancak birlikte proteinlerin, nükleik asitlerin, polisakkaritlerin ve zar lipitlerinin üç-boyutlu yapılan üzerinde çok belirgin etkileri vardır.
Hidrojen Bağı Suya Olağan Dışı Özelliklerini Kazandırır Suyun erime, kaynama ve buharlaşma sıcaklığı diğer çözücülerin çoğundan daha fazladır (Tablo 4.1). Bu az rastlanan özellikler, sıvı suya büyük iç kohezyon kuvvetleri sağlayan, bitişik su molekülleri arasındaki çekimlerin sonucudur. H20 molekülünün elektron yapısı bu moleküller arası çekimlerin nedenini ortaya koyar.
Su molekülünün hidrojen atomlarından her biri oksijen atomuyla bir elektron çiftini paylaşır. Molekülün geometrisi karbonun bağlanma orbitaline benzerlik gösteren, oksijenin dış elektron orbitallerinin şekliyle saptanır. (Şek. 3-4'e bkz.)
Su Polar Katılarla Hidrojen Bağları Oluşturur Hidrojen bağları sadece su moleküllerinde bulunmaz; bir elektronegatif atomla(genellikle bir çift elektron taşıyan oksijen veya azot gibi bir hidrojen alıcısıyla) ve aynı molekülün veya komşu molekülün kovalent bağlanmış bir diğer elektronegatif atomunun (hidrojen vericisi) hidrojeniyle kolayca oluşabilir (Şek. 4-3). Karbon atomlarına kovalent olarak bağlammış hidrojen atomları (elektronegatif değildir) hidrojen bağlarında yer almaz.
Şeker gibi yüksüz ancak polar olan biyomoleküllerin suda kolayca çözünebilmelerinin nedeni, şekerin hidroksil veya karbonil gruplarıyla polar su molekülleri arasında kurulan kararlı hidrojen bağlandır. Alkoller, aldehitler, ketonlar ve N- H bağları taşıyan bileşikler suyla hidrojen bağları oluşturduklarından suda çözünmeye eğilimlidir (Şek. 4-4).
Su Yüklü Katılarla Elektrostatik Olarak Etkileşir Su polar bir çözücüdür, genellikle yüklü veya polar bileşikler biyomoleküllerin çoğunu çözer (Tablo 4-2); suda kolayca çözünen biyomoleküllere hidrofilik (Yunanca, "suyu seven") moleküller denirken, kloroform ve benzen gibi polar olmayan çözücüler polar biyomoleküller için çok zayıf çözücüdür, ancak yağlar ve mumlar gibi polar olmayan hidrofobik molekülleri kolayca çözer.
Su NaCl gibi tuzları su katarak ve Na+ ve Cliyonlarını sabitleyerek, aralarındaki çekim kuvvetlerini azaltarak ve bir araya gelip kristal oluşturmalarını önleyerek çözer (Şek 4-6). Aynı usurlar yüklü biyomoleküllere, iyonize karboksilik asitlere ( -COO-), protonlaşmış aminlere (-NH3) ve fosfat esterleri ya da anhidritler gibi işlevsel gruplara sahip olan bileşiklere uyarlanır. Su böyle bileşikleri, katı molekülleri arasındaki elektrostatik etkileşimleri azaltarak, katı-katı hidrojen bağların katı-su hidrojen bağlarıyla yer değiştirerek, hemen çözer.
Şekil 4-6: Su birçok kristal tuzunu yapısındaki iyonları hidrate ederek çözer. NaCl'ün kristal yapısı su moleküllerinin Cl- ve Na- iyonları etrafında kümeleşmeleri ile bozulur. İyonik yükler kısmen nötralize edilir ve kristal yapı oluşturmak için gerekli olan elektrostatik çekişler zayıflatılır.
Kristal Maddeler Çözünürken Entropi Yükselir NaCl gibi bir tuz çözünürken kristal yapıdan ayrılan Na+ ve Cl iyonları daha büyük bir hareket özgürlüğü kazanırlar (Şek. 4-6). Sistemin entropisindeki (düzensizliğindeki) artışla sonlanmadan sorumlu olan tuzların, suda NaCl gibi, kolayca çözünmesidir.
Polar Olmayan Gazlar Suda Çok Az Çözünür Biyolojik olarak önemli olan CO2, O2 ve N2 gibi gazlar polar değildir. O2 ve N2'de elektronlar her iki atom tarafından eşit olarak paylaşılmıştır. CO2'de her bir C=O bağı polardır, fakat iki dipol zıt yönlerdedir ve birbirlerini iptal ederler (Tablo 4-3).
Polar Olmayan Bileşikler Suyun Yapısını Enerjetik Olarak Uygun Olmayan Değişikliklere Zorlar Su, benzen veya hekzanla karıştırılacak olursa iki faz oluşur; iki sıvı birbirinde çözünmez. Benzen ve hekzan gibi polar olmayan bileşikler hidrofobiktir su molekülleriyle uygun enerji şekilleri oluşturacak etkileşimiere giremezler ve aslında bu moleküller su molekülleri arasında hidrojen bağı oluşmasına engel olurlar.
Van der Waals Etkileşimleri Atomlararası Zayıf Çekimlerdir
Zayıf Etkileşimler Makromolekül Yapısı ve işlevi için Çok Önemlidir