9. SINIF KİMYA · ÜNİTE 16 · MOLEKÜLLER ARASI ETKİLEŞİMLER VE HİDROJEN BAĞI

Gecko (geko) kertenkele türü yapışkan bir madde salgılamadan tüm yüzeylere tutunabilme özelliğine sahiptir ve bu durum ayak yapısıyla ilgilidir. Ayakları seta adı verilen mikroskobik tüyler ve bu tüylerin uçlarındaki spatula benzeri yapılardan oluşur. Her bir yapı 200 nanometre uzunluğunda ve 10 nanometre çapından daha küçük tüyciklerle kaplıdır.

Bu tüyciklerin uçları çok ince olduğundan kertenkelenin tutunduğu yüzey ile moleküler düzeyde bir etkileşim sağlar. Tek bir gecko, ayağındaki milyonlarca moleküler düzeydeki etkileşimle yaklaşık 10 Newton civarında güçlü bir yapışma kuvveti üretir.

Bilim insanları bu özellikten esinlenerek “GeckoBot” adını verdikleri robota pürüzlü ve düz yüzeylere tutunabilme özelliği kazandırmıştır. Cerrahi müdahalelerde dokulara hassas ve kontrollü tutunmak önemli olduğu için, gecko ayaklarındaki mikro yapılardan ilham alınarak üretilen yapışkan malzemelerin cerrahi robotlar tarafından kullanılabilirliği araştırılmaktadır.

Nanometre, metrenin milyarda biri. (Birimin açılımı ders kitabında yazmıyor, eklendi.) Bir setanın ucundaki tüycük, bir insan saçının yaklaşık on binde biri kalınlığında.

1. “Gecko kertenkelelerinin yüzeye tutunmasını sağlayan 10 Newton’luk kuvvet, moleküler düzeydeki nispeten zayıf elektrostatik çekim ile nasıl oluşmuştur?”

Cevap iki kelimede: çokluk ve yakınlık. Tek bir tüycüğün ürettiği kuvvet gerçekten çok küçük; ama milyonlarcası aynı anda çalışıyor. Ayrıca tüycük uçları o kadar ince ki yüzeye molekül boyutunda yaklaşıyor — bu kuvvetler mesafeyle çok hızlı zayıfladığı için yakınlık her şeyi değiştiriyor.

2. “Toz parçacıklarının bilgisayar ekranına yapışması ile gecko kertenkelelerinin yüzeye tutunmasını sağlayan çekim gücü arasında bir ilişki olabilir mi?”

Evet. Ekran çalışırken elektriklenir; yüklenmiş yüzey, yaklaşan nötr toz parçacığındaki elektron bulutunu bozar ve onda geçici bir dipol oluşturur. Sonra ikisi birbirini çeker. Bu ünitenin sonunda bu olayın adını da koyacaksın. (Ders kitabı soruyu kenar notunda soruyor, cevabı metnin farklı yerlerine dağıtıyor; burada birleştirildi.)

“Moleküller arası etkileşimler, elektrostatik çekim adı verilen zıt elektrik yüklerinin birbirini çekmesi ve aynı elektrik yüklerin birbirini itmesi temeline dayanan elektrostatik kuvvetler ile açıklanır.”

“Maddeyi oluşturan temel tanecikler; atom, molekül veya iyon olabilir. Madde daha yoğun faza geçerken ya da bir başka madde içinde dağılırken etkin rol alan ve madde tanecikleri arasında oluşan etkileşimler metalik, iyonik ve kovalent bağ oluşumundaki etkileşime göre daha zayıftır.”

Son cümle bütün ünitenin ölçeğini kuruyor: buradaki kuvvetler bağ değil, etkileşim. Kovalent bağ yüzlerce kJ/mol’lük bir iştir; bu ünitede göreceğin en güçlü etkileşim 40 kJ/mol’de kalıyor.

Solda bir apolar molekülün elektron bulutu canlı olarak dalgalanıyor — anlık olarak bir tarafa yığıldığında geçici dipol oluşuyor ve kısa süre sonra dağılıyor. Sağdaki polar molekülde ise kutuplar hiç değişmiyor: kalıcı dipol. Kaydırakla dalgalanmanın şiddetini değiştirebilirsin.

Etkinlik-2.14 etkileşimlerin adını nasıl kuracağını doğrudan söylüyor: “Etkileşen tanecik apolar molekül veya soy gaz atomu ise indüklenmiş dipol, polar molekül ise dipol, iyon ise iyon ifadeleri kullanılabilir.”

Yani ismi ezberlemene gerek yok: iki tarafın ne olduğuna bak, karşılığını yaz, aralarına tire koy. Polar molekül + apolar molekül → “dipol-indüklenmiş dipol”. İyon + polar molekül → “iyon-dipol”.

Tablodaki bütün çiftler. Bir çift seç: iki tarafın ne olduğu (iyon / dipol / indüklenmiş dipol) belirlenir ve etkileşimin adı kuralla kurulur.

“Yük dağılımının konumunun değişmesi tüm moleküllerde gözlemlenen bir durumdur. Bu durum sonucu oluşan etkileşim türü tüm moleküller arasında bulunur ancak maddenin fiziksel özelliklerini belirleyen etkin kuvvet sadece geçici dipole sahip moleküllerde görülür. Soy gaz atomları ve bütün apolar moleküllerde fiziksel özellikleri belirleyen bu çekim kuvvetine dağılma kuvveti, indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi veya London (Landın) kuvveti denir.”

İki cümlede iki ayrı şey söyleniyor, ikisini de karıştırmamak lazım:

Bu kuvvetin üç ayrı adı var ve üçü de eşdeğer: dağılma kuvveti, indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi, London kuvveti. Sınavda üçü de karşına çıkabilir.

“Genel olarak apolar moleküller ve soy gaz atomlarının yapısında elektron bulutunun dağılımı simetriktir ancak bu yapıya yaklaşan bir başka atom, iyon ya da molekülle simetrik yük dağılımı bozulur ve geçici dipol oluşur.”

“Yapıdaki elektron sayısı fazla ve elektron bulutu dağılmış ise kutuplanabilirlik kolaylaşır ve London kuvveti artar.”

Kutuplanabilirlik, elektron bulutunun dışarıdan bir yükle ne kadar kolay bozulduğudur. (Ders kitabı terimi kullanıyor, tanımlamıyor; açıklama eklendi.) Büyük ve elektronu bol bir molekülde bulut gevşek tutulur, kolay bozulur; küçük bir molekülde sıkı tutulur, zor bozulur.

Kaydırağı çek: yapıdaki elektron sayısı arttıkça elektron bulutu büyüyüp gevşiyor, kutuplanabilirlik kolaylaşıyor ve London kuvveti artıyor. Kuralın doğrudan görselleşmiş hâli.

Görsel 2.13’te sıralanan beş tür. Bir tür seç: iki tanecik çizilir, üzerlerindeki yükler ve aradaki çekim gösterilir; altta tanımı ve örneği yazılır.

“London kuvveti, dipol-dipol ve dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri IUPAC tarafından van der Waals kuvvetleri olarak adlandırılır.”

Dikkat: van der Waals bir şemsiye ad, altıncı bir tür değil. Ve kapsamı üç türle sınırlı: iyon içeren iki tür (iyon-dipol ve iyon-indüklenmiş dipol) bu adın dışında kalıyor. Bu ince ayrım sınav sorusu olmaya çok uygun.

İki tablodaki bütün tanecik çiftleri, her birinin türü ve gerekçesi. “iyon”, “London”, “van der Waals” gibi bir şey aratabilirsin.

“Hidrojen atomu doğrudan F, O veya N atomuna bağlandığında bağlanan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı diğer kovalent bağlardaki kutuplaşmadan daha yüksek olur. Bu durum, söz konusu moleküllerde bağı meydana getiren hidrojen atomunda kısmi pozitif; ortaklanmamış elektron çifti bulunduran diğer atomda kısmi negatif yük yoğunluğu oluşturur. Yük yoğunluğunun fazlalığı nedeniyle moleküller arasındaki çekim dipol-dipol etkileşimine göre oldukça güçlüdür. Genellikle komşu moleküller arasında oluşan bu güçlü etkileşime hidrojen bağı denir.”

“Hidrojen bağının oluşması için hidrojen atomunun F, O veya N atomuna bağlanmış ve kısmi pozitif yüklü olması gerekir. Bunun yanı sıra hidrojen atomuna bağlanmış, kısmi negatif yüklü ve ortaklanmamış elektron çifti içeren F, O veya N atomu gereklidir.”

“Moleküller, yapısında en az bir F−H, O−H veya N−H bağı bulunduruyorsa hidrojen bağı oluşturabilir.”

Kısacası hidrojen bağı bir köprü: bir tarafta δ+ hidrojen, öteki tarafta ortaklanmamış çifti olan bir F, O ya da N. İkisi de olmadan bağ kurulmaz. Ve son cümle: hidrojen bağı farklı moleküller arasında da oluşabilir.

Etkinlik-2.15’in dokuz molekül çifti. Bir çift seç: iki koşul tek tek denetlenir ve hidrojen bağının kurulup kurulmadığı gösterilir. Kırmızı kesikli çizgi hidrojen bağını, gri çizgi yalnızca dipol-dipol etkileşimini gösterir.

Aralıkların üst üste bindiğine dikkat et: çok büyük bir apolar molekülün London kuvveti (20 kJ/mol) küçük bir hidrojen bağından (10 kJ/mol) güçlü olabilir. “Hidrojen bağı her zaman en güçlüdür” demek bu yüzden tam doğru değil; aynı büyüklükteki moleküller karşılaştırıldığında doğrudur.

Adı “bağ” ama aslında bir moleküller arası etkileşim. Kovalent bağ yüzlerce kJ/mol’lük bir iş; hidrojen bağı en fazla 40 kJ/mol. Yani su ısıtınca kaynar (hidrojen bağları kopar) ama H₂O molekülü bozulmaz — buhar hâlindeki su hâlâ sudur.

İkinci tuzak: HCl’de hidrojen var ama klor F, O ya da N değil. Bu yüzden HCl molekülleri arasında hidrojen bağı yoktur, yalnızca dipol-dipol etkileşimi vardır. H₂S için de aynı: kükürt listede yok.

DNA hayati faaliyetlerin sürdürülmesini sağlayan ve genetik özellikleri taşıyan bir moleküldür. Adının açılımı üç parçadan geliyor: deoksiribo = beş karbonlu riboz şekerinin halkalı yapısı, nükleik = hücre içindeki çekirdekte bulunması, asit = fosfat grubunun asidik özellik göstermesi.

DNA’nın sarmal bir merdivene benzeyen yapısında şeker ve fosfattan oluşan zincir dış kısımda, azotlu organik bazlar ise merkezde merdivenin basamaklarında yer alır. Fosfat, şeker ve azotlu organik bazın birleşmesinden meydana gelen ve DNA’da tekrarlayan yapıya nükleotit adı verilir. Kalıtsal özellikleri belirleyen gen yapısı çok sayıda nükleotitten oluşur; nükleotitler DNA’nın temel yapı birimleridir.

Nükleotit yapısında dört farklı azotlu organik baz bulunur: adenin (A), sitozin (C), guanin (G) ve timin (T). “G−C ve A−T arasında bulunan hidrojen bağları, DNA molekülünün yapısında birbirine dolanmış şekilde iki zinciri birleştirir ve genetik kodu korur.”

DNA’nın çift sarmalı şematik olarak çiziliyor. Kaydırakla merdivenin uzunluğunu değiştir; dış zincirler şeker + fosfat, basamaklar ise A−T ve G−C baz çiftleri. Basamakları tutan şey hidrojen bağları.

DNA’nın iki zincirini hidrojen bağları birleştirir. Peki neden kovalent bağ değil?

Çünkü hücrenin DNA’yı okuması ve kopyalaması için iki zincirin açılabilmesi gerekiyor. Kovalent bağ olsaydı zincirler hiç ayrılamazdı. Hidrojen bağı tam kararında: genetik kodu koruyacak kadar güçlü, gerektiğinde açılacak kadar zayıf.

Ders kitabı bu gerekçeyi doğrudan yazmıyor ama “genetik kodu korur” cümlesiyle işaret ediyor; buradaki açıklama o cümlenin açılımı.

Bir tanecik çifti, bir tanım ya da bir sayı veriliyor; doğru cevabı seç. Sorular ve şıklar her turda karışır.

Dokuz madde. Her madde kendi molekülleri arasında en güçlü hangi etkileşimi gösterir? Satır başına tek hücre işaretle, sonra Denetleye bas. (NaCl iyonik yapılıdır; molekülü yoktur, iyonları arasında iyonik bağ bulunur.)

Altı soruyu tek tek dolaş; hangi maddelerin cevaba girdiği kutucuklarda işaretlenir. (Ders kitabı cevap anahtarı vermiyor; cevaplar kendi tanımlarından çıkarıldı.)