KİMYASAL TÜRLER VE ETKİLEŞİMLER

KİMYASAL TÜRLER VE ETKİLEŞİMLER Doğada bulunan maddelerin birtakım ortak özellikleri vardır. Maddelerin kütleleri, hacimleri, tanecikli yapıları ve eylemsizlikleri onların ortak özellikleridir. I. Kimyasal Türler Doğada bulunan bütün maddeler tanecikli yapıdadır. Maddenin özelliğini gösteren en küçük yapıtaşları olan taneciklere kimyasal tür denir. Maddeyi oluşturan tanecikler farklı türlerde olabilmektedir. Kimyasal türleri atom, molekül, iyon ve radikal olarak gruplayabiliriz. a. Bir elementin tüm özelliklerini taşıyan en küçük yapıtaşına atom denir. ATOM: Elementlerin bir kısmı doğada atomlar halinde bulunurken, bir kısmı da element molekülleri ya da bileşikler halinde bulunurlar. Soygazlar doğada atomik yapıda bulunurken, oksijen elementi O2 molekülleri halinde, Na elementi ise bileşikler halinde bulunur. Örneğin, NaCl bileşiği kimyasal yöntemlerle ayrıştırıldığında Na metalini atomik yapılı olarak elde edilir. Soygazlar kararlı yapıdaki elementlerdir. Son enerji seviyelerindeki orbitalleri tam dolu olduğundan bileşik yapma istekleri yoktur. Bu nedenle doğada tek atomlu gaz halinde bulunurlar. Tablo. Periyodik cetvelde yer alan bazı elementlerin elektron nokta yapıları(lewis gösterimleri) b. İYON: Elektron sayısı ve proton sayısı arasında fark bulunan atomlara iyon denir. Pozitif yüklü iyonlara katyon, negatif yüklü iyonlara anyon denir. Pozitif yüklü iyonlarda proton sayısı elektron sayısından fazla, negatif yüklü + - iyonlarda ise elektron sayısı proton sayısından fazladır. İyonlar tek atomlu olabildiği (Na, Cl ) gibi, çok atomlu(kök) halinde de olabilirler. Doğadaki çeşitli maddeler iyonların bir araya gelmesiyle (sodyum klorür iyonlar ( + - bileşiği Na ve Cl iyonlarından oluşur) oluşurlar. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 1

c. MOLEKÜL: Element atomlarından bir kısmı kararsız elektron yapılarını kararlı hale getirebilmek için kendi atomları arasında ya da başka element atomları ile elektron ortaklaşması kurarak kovalent bağ oluştururlar. En az iki atomun kovalent bağ yaparak oluşturdukları nötr atom gruplarına molekül denir. Biraraya gelen atomlar aynı elemente ait ise element molekülü, farklı elementlere ait ise bileşik molekülü oluşur. Aşağıda görüldüğü gibi H 2, O 2, N 2, Cl 2, P 4, S 8 gibi moleküller aynı atomlardan oluştuğu için element molekülleri, H 2O, CO 2, N 2O, C 6H 12O 6 gibi moleküller farklı atomlardan oluştuğu için bileşik molekülleri olarak sınıflandırılırlar. Aşağıda CH 4, CHCl 3, CH 3NH 2 moleküllerinin sembolik gösterimi verilmiştir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 2

d. RADİKAL: Ortaklanmamış elektron bulunduran atom, iyon, ya da moleküllere serbest radikal denir. Radikal halde bulunan maddeler kararlı hale geçmedikleri için kimyasal tepkimeye girme istekleri çok fazladır. Radikaller atomik radikaller(h ), iyonik radikaller ve moleküler radikaller( NO, NO2) olarak üç gruba ayrılabilirler. Yanda bir moleküler radikal olan metil radikali görülmektedir. Yapılarında bulunan ortaklanmamış elektronlarından dolayı radikallerin tepkimeye girme istekleri çok fazladır. Radikaller ya da serbest radikaller genellikle tepkimelerin ara basamaklarında oluşan kararsız yapılardır. Aktif oldukları için tepkimeyi hızlandırıcı etkileri vardır. II. Kimyasal Türler Arasında Etkileşim Kimyasal tür olarak adlandırdığımız maddeler bir araya gelerek yeni kimyasal türler oluşturabilir. Bir atom ve iyon türleri arasında gerçekleşen tepkime sonucunda yeni iyon ve molekül türleri oluşabilir. 3 Cu(k) + 8 +8 3 +6 +2N + 4 H2 İyonlar bir araya gelerek yeni maddeler oluşturabilir veya iyonik maddeler çözelti oluşturduklarında iyonlarına ayrışabilirler. Şekil. İyonik bileşik(nacl) oluşumu Farklı moleküller kimyasal tepkimeler sonucunda yeni moleküller oluşturabilir. Radikallerin etkileşmeleri sonucunda yeni türler oluşabilir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 3

Kimyasal Türler arasında Bağ oluşumu Kimyasal türler birbirleriyle etkileştiklerinde en dış enerji katmanlarındaki elektronlar arasında bir etkileşim gerçekleşir. Bir atomun elektron bulutu ile diğer atomun çekirdeği arasında çekme kuvveti oluşurken, iki atomun çekirdekleri arasında ya da iki atomun elektron bulutları arasında itme kuvveti oluşur. İtme ve çekme kuvvetleri aynı anda gerçekleşir. Çekme kuvveti itme kuvvetinden fazla ise kimyasal türler arasında bağ oluşumu gerçekleşir. Kimyasal bağ oluşumuna neden olan bu tür etkileşime güçlü etkileşim adı verilir. İtme kuvveti çekme kuvvetinden fazla olduğunda kimyasal türler arasında bağ oluşmaz. Bu nedenle oluşan etkileşimler zayıf etkileşim olarak adlandırılır. Zayıf etkileşimlere fiziksel bağ denir. Kimyasal türler arasındaki etkileşimlerin sınıflandırılması aşağıda gösterilmiştir. Güçlü ve Zayıf Bağların Oluşması ve Kopmasında Oluşan Değişimler Kimyasal türler arasında oluşan bağlar nedeniyle atomlar daha kararlı olurlar. Atomlar kararlı duruma geçerken bir miktar enerjiyi de dışarı verirler. İki atomun bir araya gelmesiyle molekül oluşumu sırasında açığa çıkan enerjinin, molekülü tekrar atomlarına ayırmak için geri alınması gerekir. İki atomlu bir gaz molekülünü nötr atomlarına ayırmak için gereken enerjiye bağ enerjisi denir. Fiziksel etkileşim kuvvetlerinden etkilenen taneciklerin, fiziksel etkileşim kuvvetlerini yenmesi için Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 4

gereksinim duydukları enerji, kimyasal bağları birbirinden ayırmak için gereksinim duyulan enerjiden çok azdır. Kimyasal bağların kopması için gerekli enerji çok fazla iken, fiziksel etkileşimleri yok etmek için kullanılan enerji daha az olur. 436 kj.mol -1 + -1 + 43,9 kj.mol 2 Bir bağın bağ enerjisi ne kadar büyükse bağ o kadar sağlamdır. Bu nedenle kimyasal bağlar fiziksel bağlardan kuvvetlidir. Kimyasal bağlar oluştuğunda veya koptuğunda yeni kimyasal türler meydana geldiği için maddenin yapısı değşmiş olur. Fiziksel bağlar oluştuğunda veya koptuğunda ise maddenin fiziksel halinde bir değişiklik olur ancak yapısı(molekül yapısı) değişmez. Güçlü Etkileşimler I. İyonik Bağların sağlamlığı: İyonik bağlı bileşiklerin erime noktaları kovalent bağlı bileşiklere göre genellikle yüksektir. İyonik bileşiklerin erime noktası yükseldikçe bağ daha sağlam olarak nitelendirilir. İyonik bağların sağlamlığını etkileyen iki faktör vardır. a. İyonik bağ zıt yüklü iyonlar arasındaki elektrostatik çekim kuvvetidir. Elektrostatik çekim kuvveti yüklü iyonlar arasındaki uzaklık fazlalaştıkça azalır. Bu nedenle aynı büyüklükte zıt yüklerden oluşan iyonlar arasındaki bağ kuvveti iyonlar arasındaki uzaklık fazlalaştıkça küçülür. İyonik bağ kuvveti fazla olan maddenin erime noktası da büyük olur. Şekil. Aynı büyüklükte zıt yüklerden oluşan iyonlar arasındaki bağ kuvveti iyonlar arasındaki uzaklık fazlalaştıkça küçülür. Bu durumda NaF nin erime noktası, NaCl bileşiğinin erime noktasından yüksektir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 5

Aşağıdaki şekilde verilen iyon yarıçaplarına göre, KF, KCl ve KBr iyonik bileşiklerinin erime noktaları karşılaştırılırsa sıralama KF>KCl>KBr şeklinde olur. Şekil. Bazı iyonların pikometre(pm) cinsinden iyon yarıçapları b. İyonik bağın kuvveti iyonların yükleri ne kadar büyük olursa o kadar kuvvetli olur. Bu nedenle iyon yükü büyük olan iyonik bileşiklerin erime noktaları da büyük olur.(cao>cacl 2) İyonik bileşiklerde hangi iyonik bağın daha sağlam olduğunu anlayabilmek için iyonların yarıçaplarına ve yüklerine bakılır. İyonların yarıçapı arttıkça iyonlar arasındaki elektrostatik çekim gücü azaldığı için iyonik bağın gücü de azalır. İyon yükü arttıkça iyonik bağın kuvveti artar. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 6

İyonik bağlı bileşiklerin özellikleri: İyonik katıların çoğu suda çözünürler. Ca 3(PO 4) 2 gibi iyon yükü büyük ve iyon yarıçapı küçük olan bazı iyonik katıların sudaki çözünürlükleri yok denecek kadar azdır. İyonik bileşikler iyonları hareketli olmadığı için katı halde elektriği iletmezler. İyonik bileşiklerin sıvı halleri ve sulu çözeltileri iyonlar serbest kalabildiği için elektriği iletirler. İyonik bileşiklerin katı halleri sert ve kırılgandır. İyonik bir katı maddeye darbe uygulanırsa, aşağıda görüldüğü gibi aynı yüklü iyonlar yanyana gelip birbirini iteceğinden iyonik katı parçalanır. Bu nedenle çekiçle dövülemezler, şekillendirilemezler. Şekil. İyonik bileşikler kırılgandır. İyonik bileşiklerin erime ve kaynama noktaları yüksektir. Oda koşullarında katı halde bulunurlar. II. Kovalent bağların oluşumu: Element atomları elektron dizilimlerini soygazlara benzeterek daha kararlı bir yapıya ulaşmak isterler. Bunu sağlamak için ya elektron alışverişi ya da elektronları ortaklaşa kullanarak bağ yapmak isterler. Elektronların ortaklaşa kullanılması ile atomlar arasında oluşan kimyasal bağlara kovalent bağ denir. Kovalent bağ atomlar arasındaki elektron çiftinin her iki atomun çekirdeği tarafından çekilmesi sonucu oluşur. İki ametal atomu birbirine yaklaştıkça atomların tek elektron içeren orbitalleri birbiriyle örtüşür(orbital örtüşmesi). Böylece her iki atomun da orbitalinde iki elektron olur. Örtüşme sonucu oluşan elektron çifti atomlar arasında bir negatif yük yoğunluğu oluşturur. Oluşan yoğunluk atomların çekirdekleriyle etkileşerek atomların bir arada durmasını sağlar. Böylece ametal atomları arasında kovalent bağ oluşmuş olur. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 7

Aşağıda görüldüğü gibi birbirine yaklaşan hidrojen atomları arasında çekme kuvvetleri nedeniyle güçlü bir etkileşim ortaya çıkar ve kimyasal bağ oluşur. Hidrojenin 1s orbitali yarı dolu haldedir. Bir başka hidrojen atomuyla birbirlerine yaklaştıklarında 1s orbitalleri örtüşür. Pozitif yüklü iki çekirdek arasında negatif yüklü elektron yoğunluğu artınca aralarında bir kimyasal bağ oluşur. Şekil. Hidrojen atomları arasında gerçekleşen kovalent bağ oluşumu Hidrojen atomlarının helyum atomunun(soygaz) elektron dizilimine ulaşması için s orbitallerinin örtüşmesi yeterlidir(duplet kuralı). Hidrojen dışındaki atomların kimyasal bağlar yapması sırasında ise atomlar en yüksek enerji düzeyindeki elektron sayısını sekize tamamlayıncaya kadar bağ yapmaya çalışırlar(oktet kuralı). Bu durumda s orbitallerinin yanında p orbitallerinin de örtüşmesi gerekir. Örneğin, HF molekülü oluşurken hidrojenin yarı dolu 1s orbitali ile florun 2p orbitallerinden yarı dolu olanı örtüşür, hidrojen atomu ile klor atomu arasında kovalent bağ oluşur. Oksijen atomunda iki tane yarı dolu p orbitali bulunur. Bu nedenle oksijenin su molekülünü oluştururken iki tane hidrojen atomu ile bağ yapması gerekir. İki hidrojen atomunun yarı dolu s orbitalleri ile oksijen atomunun p orbitalleri örtüşür ve su(h 2O) molekülü oluşur. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 8

Kimyasal bağların iyonik-kovalent karakteri: Kimyasal bağı oluşturan elektron çifti atomların çekirdekleri tarafından çekilir. Bir atomun elektronegativite değeri ise bağ elektronlarını çekme gücüdür. Aşağıda periyodik cetvelde yer alan elementlerin elektronegativite değerlerini gösteren grafik verilmiştir. Genel olarak, periyodik cetvelde aşağıdan yukarıya gidildikçe ve soldan sağa gidildikçe elektronegativite değeri artar. Elektronegativite değeri büyük olan atom kimyasal bağdaki elektronları kendine doğru daha fazla çeker. Şekil. Hidrojen florür bileşiğine elektrik alanının etkisi. Elektrik alanının olmadığı durumda moleküller rastgele dağılmışlardır(a). Bir elektrik alanı oluşturulduğunda, moleküllerin eksi yük yoğunluklu kutupları artı plakaya, artı kutupları da eksi plakaya gelecek şekilde düzen aldıkları görülür. NaCl bileşiğinde Na ve Cl atomları arasındaki bağı oluşturan elektron çiftinde Na ve Cl den birer elektron bulunur. Elektronun, elektronegativite değeri yüksek olan atoma daha yakın olan bölgede bulunma olasılığı daha fazla olur. Cl elementinin elektronegativite değeri Na elementinin elektronegativite değerinden büyük olduğu için elektron çifti sanki Cl atomuna aitmiş gibi görünür ve bağ elektronları Cl atomunda daha fazla bulunur. Cl atomunun elektron yoğunluğu arttığı için Cl - iyonu oluşur. Na atomunda elektron yoğunluğu azaldığı için Na + iyonu oluşur. Na ve Cl atomları arasındaki elektronegatiflik farkı çok büyük olduğu için bağ iyonik bağ olarak adlandırılır. Kimyasal bağları oluşturan elektronlar hiçbir zaman tam olarak bağdaki tek bir atoma ait olamaz. Bağı oluşturan elektronlar aslında her iki atom tarafından da çekilmektedir. Dolayısıyla bağ elektronları elektronegatiflik değerleri ile orantılı olarak her iki atom tarafından da ortaklaşa kullanılabilirler. Başka bir deyişle, bir kimyasal bağ ne kadar iyonik olursa olsun kovalent karakter de taşır. Bağ atomları arasında elektronegatiflik farkı büyüdükçe bağın iyonik Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 9

karakteri artar, kovalent karakteri azalır. İki atom arasında elektronegatiflik farkı sıfır ise bağ elektronları her iki atom tarafından eşit kuvvetlerle çekilir. Böyle bağlarda bağın iyonik karakteri yoktur. H 2 molekülünde H atomları arasındaki bağ bu nedenle %100 kovalent bağ olarak adlandırılır. Bağ yapan atomlar arasındaki elektronegativite farkı Sıfır Tablo. Elektronegativite ile Bağ Türü Arasındaki İlişki Bağ türü Bağın iyonik-kovalent karakteri Kovalent Kovalent karakter Orta Polar Kovalent Büyük İyonik İyonik karakter Kovalent bağların polarlığı: Elektronegatiflik değerleri aynı olan atomlar arasında oluşan kovalent bağlara apolar kovalent bağlar denir. Bağ elektronları her iki atom tarafından eşit kuvvetlerle çekildiğinden pozitif ya da negatif kutuplar oluşmaz. Aynı ametal atomları arasında oluşan bağlar apolar kovalent bağlardır. Elektronegatiflik değeri farklı atomlar arasında oluşan kovalent bağlara polar kovalent bağ denir. Kovalent bağdaki elektron çiftine atomlar elektronegativite değerlerine göre çekim uygular. Bağ elektronları elektronegativite değeri büyük atoma doğru yönelir. Bu nedenle elektronegativitesi büyük olan atom kısmi negatif yükle yüklenir. Elektronegativite değeri küçük olan atom ise kısmi pozitif yükle yüklenir. Bu şekilde oluşan kovalent bağlara polar kovalent bağ denir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 10

İyonik ve kovalent bağ tiplerini kesin bir sınırla ayırmak doğru değildir. Elektronegativite değeri verilmiş atomlar arasında oluşan bileşiklerin ancak iyonikten kovalente sıralaması yapılabilir. Başka bir deyişle bileşiklerin bağlarının polarlıklarını karşılaştırabiliriz. Metalik Bağlar: Metal atomlarının değerlik elektronları çekirdek tarafından zayıf bir şekilde çekilir. Metal atomlarında değerlik elektronlarının bulunduğu enerji katmanında boş değerlik orbitalleri bulunur. Böylece metal atomları bir araya geldiğinde, bir atomda bulunan serbest haldeki değerlik elektronları diğer atomların boş orbitallerinde dolaşabilir. Çok sayıda atomun değerlik elektronları bu şekilde farklı atomların eş enerjili boş orbitallerinde dolaşmaya başlayınca bir elektron denizi oluşur. Değerlik elektronu başka atomun boş orbitaline geçen metal atomu pozitif yüklü hale gelir. Pozitif yüklenen iyonlarla elektron denizindeki elektronlar arasında elektrostatik bir çekim kuvveti oluşur. Metal atomları böylece bir arada kalır. Burada oluşan çekim kuvvetine metalik bağ denir. Metal atomları biraraya geldiğinde ortamda hareket eden değerlik elektronları ve değerlik elektronunu vermiş gibi görünen metal katyonu bulunur. Metalik bağ eksi(-) yüklü elektron denizi içerisinde yüzen artı(+) yüklü katyonların oluşturduğu bütündür. Şekil. Metalik Bağ. Değerlik elektron sayısı 1 olan metaldeki elektronların dağılımı(a). Değerlik elektron sayısı 2 olan bir metaldeki elektronların dağılımı. Metallerin üzerlerine bir çekiçle vurulduğunda metal atomları elektron denizi içerisinde hareket ederek yer değiştirirler. Metalin bu kuvvetin etkisiyle şekil değiştirmesi gerçekleşir. Metalik bağdan kaynaklanan bu özellikten dolayı metaller dövülebilir,esneyebilir, tel ve levha haline gelebilirler. Metal katyonları, elektron denizi içerisinde yüzen tanecikler oldukları için dışarıdan bir darbe uygulandığında, bir katyon komşu atomlar tarafından itilebilir. Elektron denizi, darbe etkisiyle kolayca kayar ve metal kırılmadan, parçalanmadan, yer değiştiren tanecikler nedeniyle şekil değiştirebilir. Kovalent bağlı kristallerde ise şeklin değişebilmesi için kovalent bağalrın kopması gereklidir. Bu nedenle kovalent bağlı maddeler tel ve levha haline getirilemezler. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 11

Metallerin en önemli özelliği, ısı ve elektrik iletkenliğine sahip olmalarıdır. Bir metal parçasına elektriksel gerilim uygulandığında değerlik elektronları boş orbitallerde serbestçe hareket ederler. Elektronların hareketlenmesi sonucu elektrik akımı metal aracılığıyla bir taraftan diğer tarafa aktarılmış olur. Metal parçasının yüzeyine çarpan ışık ışınları serbestçe hareket edebilen değerlik elektronlarına enerji aktarır. Enerji kazanan elektronlar daha üst seviyedeki enerji katmanlarına geçebilirler. Aynı elektronlar ilk enerji katmanlarına dönerken aldıkları enerjiyi ışın olarak dışarı verirler. Böylece metal yüzeyi gelen ışığı yansıtmış olur. Metallerin yüzeyi bu nedenle parlak görünür. Bazı metal atomları gelen ışığın bir bölümünü yansıtırken kalan kısmını soğurur. Metal hangi ışığı yansıtırsa o renkte görünür. Örneğin, altın sarı, bakır kırmızı görünür. Metal üzerine gelen ışın demeti ile, üst enerji seviyelerine uyarılan elektronlar aynı frekansta ışın yayar. Yani gelen ışığın titreşim frekansıyla, elektronların titreşim frekansı arasında uyum vardır. Metalde tanecikler arasındaki bağ ne kadar kuvvetli ise maddenin erime noktası da o kadar yüksek olur. Metalik bağı güçlü olan metallerin erime noktası da yüksektir. Bir maddenin sertliği, üzerine bir kuvvet uygulandığında şekil değiştirmeye karşı gösterdiği dirençtir. Metal atomlarının çekirdekleri arasındaki çekim kuvveti fazlalaştıkça metalin sertliği artar. Günümüzde maddelerin sertliklerini karşılaştırmak için farklı ölçekler kullanılır. Mohs sertlik ölçeği de bunlardan birisidir. Bu ölçeğe göre bilinen en sert madde elmastır. Metal atomundaki değerlik elektron sayısı arttıkça elektron denizine bırakılan elektron sayısı da artmış olur. Bu durumda metal atomunun etrafındaki yük yoğunluğu artarken metal atomunun pozitif yük miktarı da artar. Bu durumda atom çekirdekleri ile çevredeki elektron denizi arasındaki çekim kuvveti artar. Metaldeki metalik bağ daha güçlü hale gelir. Bağ kuvveti arttıkça metalin erime noktasını ve sertliğini arttırır. Aynı periyotta yer alan elementlerden Na, Mg ve Al elementlerinin erime noktaları ve sertlikleri sırasıyla EN Al>EN Mg>EN Na ve Sertlik Al>Sertlik Mg>Sertlik Na olur. Alkali metallerde grup içerisinde atom numarası büyüdükçe erime noktası ve sertlik azalır. Bunun nedeni atom yarıçapının artması nedeniyle elektron bulutu ile metal katyonu arasındaki çekim kuvvetinin azalmasıdır. Geçiş metallerindeki metalik bağ metalik karakterle birlikte kovalent karakter de taşır. Çünkü ortaklanmamış elektron içeren d orbitallerinin örtüşmesi sonucunda bağ kovalent karakter kazanır. d orbitallerindeki ortaklanmamış elektron sayısı arttıkça bağın kovalent karakteri de artar. Bu durumda metalin erime noktası ve sertliğinde artış olur. Aynı periyotta yer alan geçiş metallerinde ortaklanmamış elektron sayısı arttıkça genellikle metallerin erime noktası ve sertliği artar. Başka Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 12

bir deyişle yarı dolu orbital sayısı arttıkça erime noktası yükselir. Zn elementi aynı peryottaki d bloğu elementlerinden daha düşük erime noktasına sahiptir; çünkü yarı dolu d orbitali yoktur. 24Cr ve 25Mn elementleri ise küresel simetri özelliği gösterdiklerinden kovalent bağ yapma istekleri azdır. Bu elementlerin yarı dolu d orbitali sayıları fazla olmasına rağmen erime noktaları 3 yarı dolu orbitali olan 23Va elementinden küçüktür. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 13

Zayıf Etkileşimler Zayıf etkileşimleri ikiye ayrılır: Van der Waals kuvvetleri ve Hidrojen Bağları. Zayıf etkileşimlerde dipol oluşumu önemli olduğu için öncelikle dipoller açıklanmalıdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 14

Dipol: İndüklenme(Dipol), yüklü bir taneciğin yüksüz bir taneciğin yük dağılımını bozması olayıdır.bir kimyasal tür yapısında pozitif ve negatif kutup bulunduruyorsa dipol içermektedir. Bazı kimyasal türlerde dipol kalıcı iken bazılarında dipol geçicidir. Bir kimyasal türdeki dipol anlık değişmiyorsa kalıcıdır. Şekil. Tanecikler arası etkileşim örnekleri Elektronegatiflik değerleri farklı atomlar arasında oluşan kimyasal bağ polardır. Atomlardan birinde negatif yük yoğunluğu, diğerinde ise pozitif yük yoğunluğu vardır. Yani oluşan molekülde kısmi negatif( ) ve kısmi pozitif( ) kutuplar bulunur. Bu kutuplar bağ kopmadığı sürece korunur. Bu nedenle polar kovalent bağ yapmış iki atomlu moleküller kalıcı dipole sahiptir(hcl, HF, ClF) Elektronegatiflik farkı sıfır olan H2, F2, Cl2 gibi moleküllerde elektron yük yoğunluğu eşit dağılmıştır. Negatif ve pozitif kutuplar yoktur. Bu tür moleküllerde kalıcı dipol bulunmaz. Tek başına bulunan atomlarda da elektron yük yoğunluğu eşit dağılmıştır.bu nedenle atomik yapıda olan He, Ne, Ar gibi soy gaz atomlarında da kalıcı dipol yoktur. Polar kovalent bağ içeren ve ikiden fazla atomdan oluşan moleküllerin polar olup olmadıklarını anlayabilmek için molekülün geometrisi bilinmelidir. Örneğin, atomları arasında polar kovalent bağlar içeren CO2 ve BF3 molekülleri kalıcı dipole sahip değildir;çünkü molekülleri apolar yapıya sahiptir. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 15

H2O, SO2 ve OF2 moleküllerinde iki zıt kutup bulunmaktadır bu nedenle moleküller polar bir yapıya sahiptir. Polar yapıda olan moleküller kalıcı dipole sahiptir. İndüklenmiş Dipol(Geçici Dipol) Oluşumu: Kalıcı dipolü olmayan apolar bir taneciğe, pozitif veya negatif bir yük yaklaştırıldığında elektronlar bundan etkilenerek taneciğin bir bölgesinde toplanır. Aynı şekilde apolar bir taneciğe bir polar tanecik yaklaştırıldığında da apolar taneciğin elektronları bir bölgede yoğunlaşır. Böylece kalıcı olmayan(indüklenmiş) dipol oluşur. İndüklenmiş dipole neden olan etki ortadan kalktığında tanecik yeniden nötr ve apolar hale gelir. Nötr tanecikler birbirlerine yaklaştırıldığında, taneciklerin her birinin elektron bulutları birbiriyle etkileşime girer. Bu durumda taneciklerde geçici dipoller oluşabilir. Taneciklerin indüklenmiş dipollerinin polaritesinde taneciklerin elektron sayısı ve geometrik şekli(yüzey) etkilidir. Apolar bir tanecikteki elektron sayısı çoğaldıkça indüklenmiş dipolün polaritesi artar. Bir soygaz olan Ar atomundaki elektron sayısı, diğer soygaz atomu He atomundaki elektron sayısından fazladır. Bu nedenle indüklenmiş dipolün polaritesi Argonda daha fazladır. Kimyasal türde elektronların dağılımı küreselleştikçe(yüzey azaldıkça) indüklenmiş dipolün polaritesi azalır. Van der Waals Bağları Dipol-Dipol Etkileşimleri : Polar tanecikler kalıcı dipole sahiptir. Kalıcı dipolü olan tanecikler birbirine yaklaştığında birinin kısmi pozitif( diğerinin kısmi negatif( ) ve ) kutbu arasında elektrostatik çekim kuvveti oluşur. Kalıcı dipole sahip polar taneciklerin zıt kutupları arasında oluşan çekim kuvvetlerine dipoldipol kuvvetleri denir. Dipol-dipol bağının kuvveti arttıkça bu bağları kırmak için gerekli olan enerji de o kadar fazla olur. Bu nedenle erime ve kaynama noktaları yüksek olan polar moleküllerin dipol-dipol bağları daha kuvvetli olur. Gaz tanecikleri soğutulduğunda veya basınç uygulandığında tanecikler birbirine yaklaşır. Eğer tanecikler arasında dipol-dipol etkileşimleri oluşuyorsa, bu tür bağ oluşturmayan maddelere göre daha yüksek sıcaklıkta sıvılaşırlar. Kalıcı dipole sahip maddeler karıştırıldıklarında birbirleri ile dipol-dipol etkileşimi oluşturarak çözünürler. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 16

Şekil. SO 2 molekülleri arasındaki çekme(dipol-dipol) ve itme kuvvetleri. Çekim kuvvetleri mavi oklarla, itme kuvvetleri kırmızı oklarla gösterilmiştir. Moleküller çekme kuvvetlerinin en çok, itme kuvvetlerinin ise en az olduğu konumda bulunmaya çalışacaklardır. İyon-Dipol Bağları : Polar maddelerdeki dipolün pozitif kutbu ile negatif iyonlar veya dipolün negatif kutbu ile pozitif yüklü iyonlar arasında bir elektrostatik çekim kuvveti oluşur. Buna iyon dipol etkileşimi denir. Geçici(İndüklenmiş) Dipoller arasındaki Etkileşim Kuvvetleri(London Kuvvetleri) : Apolar yapıya sahip olan soy gazlar, hidrojen gazı, oksijen gazı, azot gazı uygun koşullarda sıvılaşabilirler. Yine apolar yapıya sahip olan CO 2 gazı gibi maddeler yine uygun koşullarda katı hale getirilebilirler. Apolar yapıya sahip olan bu gazların tanecikleri katı ve sıvı fazda bir arada kalabilmektedirler. Bu durumda apolar maddelerin taneciklerinin katı ve sıvı fazlarda bir arada kalabilmeleri için aralarında bir çekim kuvveti olmalıdır. Apolar yapıya sahip atom ya da moleküller birbirlerine yaklaştıklarında geçici dipoller oluşur. Bu geçici dipollere sahip tanecikler indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri sayesinde katı ve sıvı fazda bir arada kalabilirler. Apolar tanecikler arasındaki indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşim kuvvetleri ilk defa Fritz London tarafından açıklandığı için bu bu kuvvetlere London kuvvetleri de denir. Anlık gerçekleştiği için London kuvvetleri moleküller arası etkileşimlerin en zayıfıdır. Sürekli oluşan anlık indüklenmiş dipollerin yönelişleri farklıdır. Bu nedenle dipollerdeki yüklerin ortalaması sıfırdır. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 17

İndüklenmiş dipoller arasında sadece çekim kuvvetleri oluşur. London kuvvetleri hem polar hem de apolar moleküllerde görülür. Ancak bu kuvvetler etkilerini belirgin olarak apolar moleküllerde gösterir. Elektron sayısı fazla olan apolar taneciklerde dalgalanma daha fazla olacağından indüklenmiş dipollerin polaritesi de fazla olur. Bu nedenle London kuvvetleri daha fazla olur. Buna bağlı olarak London kuvvetleri arttıkça maddelerin kaynama noktası da yükselir (Soygazlarda He, Ne, Ar elementlerinin kaynama noktalarının sıralanışı KN Ar>KN Ne>KN He şeklinde olur). Aynı aileye ait apolar moleküllerde, mol kütlesi arttıkça etkileşim fazlalaşacağı için kaynama noktası yükselir. Örneğin, doymuş hidrokarbonlardan alkan ailesinde mol kütlesine bağlı olarak kaynama noktası yükselişini gösteren grafik aşağıda verilmiştir. Elektron yoğunluğunun doğrusal yayıldığı apolar moleküllerde yüzey fazladır. Bu durum moleküllerin indüklenmiş dipollerinin polarlığını artırır. Böylece yüzey etkileşimi fazla olan moleküllerde London kuvvetleri fazla olduğu için kaynama noktaları da yüksek olur. İndüklenmiş dipol oluşturan apolar moleküller ile diğer moleküller karıştırıldığında tanecikler arasında etkileşimler olur. Bu etkileşim kuvvetleri yeteri kadar kuvvetli olduğunda çözünme gerçekleşir. Bu etkileşimler üç grupta incelenebilir. 1. İyon-İndüklenmiş Dipol Etkileşimi: İyonik bir maddenin iyonları ile apolar bir maddenin geçici indüklenmiş dipolleri arasında oluşan anlık kuvvetlerdir. Bu tür etkileşimler çok zayıftır ve iyonları birbirinden ayırarak çözmeye yeterli değildir. Bu nedenle iyonik maddelerin apolar maddelerdeki çözünürlükleri yok denecek kadar azdır. Genelleme yapılırsa, iyonik maddeler apolar maddelerde çözünmez. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 18

Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimi: Polar moleküllerin dipolleri ile apolar moleküllerin indüklenmiş dipolleri arasında anlık oluşan çekim kuvvetleridir. Dipol-İndüklenmiş Dipol bağları dipol-dipol bağlarını koparacak kadar kuvvetli değildir. Bu nedenle polar maddeler ile apolar maddelerin birbirleri içindeki çözünürlüğü yok denecek kadar azdır. Genelleme yapılırsa, polar maddeler apolar maddelerde çözünmez. Şekil. Su molekülleri polar, pentan(c 5H 12) molekülleri apolardır. Bu tanecikler arasında dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi olacak, ancak bunlar dipol-dipol etkileşimlerini kopracak kadar kuvvetli olmadıkları için su ve pentan sıvıları birbiri içerisinde çözünemeyecek ve yoğunluğu az olan sıvı üstte kalacak şekilde kap içerisine yerleşeceklerdir. 2. İndüklenmiş Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimi(London Kuvvetleri): Aynı ya da farklı apolar taneciklerin geçici indüklenmesi sonucunda aralarında oluşan elektrostatik çekim kuvvetleridir. Apolar bir madde başka bir apolar madde ile karıştırıldığında, tanecikleri arasında anlık indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri oluşur. Bu etkileşimler eğer her bir maddenin kendi tanecikleri arasında oluşan indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimlerinden daha kuvvetli ise maddeler birbiri içerisinde çözünür. Genelleme yapılırsa, apolar maddeler birbiri içerisinde çözünürler. Hidrojen Bağları Yandaki grafikte 4, 5, 6 ve 7A grubunda bulunan bazı elementlerin hidrürlerinin kaynama noktaları ile ilgili bilgi verilmiştir. Aynı grupta bulunan elementlerin grupta yukarıdan aşağı doğru hidrürlerinin mol kütlesi artar. Bu durumda maddelerin kaynama noktasıda yükselir. 4A grubu hidrürleri incelendiğinde bu duruma tüm maddelerin uyduğu görülür. Ancak, grafikten de anlaşılacağı gibi 5, 6 ve 7A gruplarının ilk üyeleri olan N, O ve F elementlerinin hidrürleri bu kurala uymazlar. 4A grubunda bulunan elementlerin hidrürlerinin tamamı apolar Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 19

yapıdadır ve bu bileşiklerde yalnızca London kuvvetleri etkilidir. Bileşiğin molekül kütlesi arttıkça London kuvvetleri de artacağından periyodik cetvelde 4A grubu elementlerinin hidrürlerinin kaynama noktası da yukarıdan aşağı gidildikçe artacaktır. N, O ve F elementlerinin hidrojenle oluşturdukları NH 3, H 2O ve HF bileşiklerinin kaynama noktalarının beklenenden yüksek çıkması bu elementlerin elektronegativite değerlerinin kendi gruplarında yer alan diğer elementlerin elektronegativite değerlerinden çok yüksek olmasıyla açıklanır. N, O ve F element atomlarına kovalent bağ ile bağlanan H atomu, bu bağı bozmadan başka bir molekülde bulunuan ve ortaklanmamış elektron çifti içeren diğer bir atoma da bağlanabilmektedir. Böylece H atomu iki ayrı molekül arasında bir köprü oluşturur. Bu şekilde hidrojen ile diğer moleküller arasında oluşan moleküller arası etkileşime hidrojen bağı denir. F, O, N element atomları hidrojenle kovalent bağ oluşturduklarında bağ elektronlarını kendilerine doğru daha fazla çekerler. Bunun nedeni elektronegatiflik değerlerinin çok yüksek olması ve yarıçaplarının küçük olmasıdır. Elektronlarını sanki kaybetmiş gibi görünün hidrojen atomu bu atomlarla bağ oluştururken bir proton(pozitif yüklü tanecik) gibi davranır. Oluşan yapıdaki hidrojenler komşu moleküllerdeki elektron çiftlerine güçlü bir elektrostatik çekim uygularlar. Oluşan bu fiziksel etkileşim kuvvetlerine hidrojen bağları denir. F, O, N atomları haricindeki atomların hidrojenli bileşiklerinin hidrojen bağı yapamamasının nedeni ise elektronegatifliklerinin küçük, atom yarıçaplarının büyük olmasıdır. Hidrojen bağları aynı tür moleküller arasında olabildiği gibi farklı moleküller arasında da oluşmaktadır. Hidrojen bağları maddelerin kaynama noktalarının yüksek olmasına neden olur. Van der Waals bağlarıyla hidrojen bağları karşılaştırırldığında hidrojen bağlarının çok daha güçlü etkileşimler olduğu görülür. Hidrojen bağları suya hiçbir maddede olmayan bir özellik kazandırır. Su donarken hacmi büyür. Su donduğunda yoğunluğu azalır. Bu nedenle buz suyun üzerinde yüzer. Göller ve denizler üstten donmaya başlar. Hidrojen bağları maddelerin çözünürlüğünü etkiler. Molekülleri arasında hidrojen bağları içeren bir madde suda çözündüğünde su ile de hidrojen bağları oluşturabildiği için iyi çözünür. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 20

Şekil. (a) Katı halde HF molekülleri arasındaki hidrojen bağlarının şematik gösterimi. (b) Su moleküllerinin ortaklanmış ve ortaklanmamış elektronlarının bulunduğu orbitallerle gösterimi. (c) Su molekülleri arasında hidrojen bağlarının oluşumu. Molekülleri arasında çok sayıda hidrojen bağı oluşturabilen bazı maddelerin hidrojen bağlarının kuvvetleri atomlar arasındaki kovalent bağlardan kuvvetli olabilir. Sakkaroz(Çay şekeri) ısıtıldığında erimeye başlamadan önce molekül yapısı bozulur ve şekeri oluşturan atomlar arasındaki bağlar hidrojen bağlarından önce koptuğu için şeker önce karamelleşir sonra kömürleşir(sıvılaşmadan yapısı bozulur). Kimyasal Türler Arasındaki Zayıf Etkileşimlerin Belirlenmesi Zayıf etkileşimler maddelerin fiziksel özelliklerinin ortaya çıkmasında belirleyici faktördür. 1. Kimyasal bağlar fiziksel bağlardan kuvvetlidir. İyonik ve kovalent bağlar hidrojen ve Van der Waals etkileşimlerinden kuvvetlidir. 2. Hidrojen bağı Van der Waals etkileşimlerinden daha kuvvetlidir. 3. Yalnızca F, O, N atomlarına bağlı hidrojenler moleküller arasında hidrojen bağı oluşturabilir. 4. London kuvvetleri en zayıf etkileşimlerdir. 5. Herhangi bir bağ oluşturan kimyasal türler arasında elektron bulunduğu için mutlaka London kuvvetleri de oluşur. 6. Sıcaklık arttıkça kimyasal türler arasındaki her türlü bağ zayıflar. Mustafa Atalay mustafaatalay.wordpress.com Sayfa 21