Hidrojen Bağı ve Moleküller Arası Etkileşimler

Konu Anlatımı

Bu Konuda Neler Öğreneceğiz?

Molekülün içinde atomlar kovalent bağlarla sıkıca tutulur. Ancak bir molekülün ötekinden ne kadar uzak duracağı, moleküller arası etkileşimlere bağlıdır. Bu etkileşimler zayıf görünse de toplamda maddelerin kaynama noktasını, erime noktasını ve çözünürlüğünü belirler.

Bu konuda önce etkileşim türlerini tek tek tanıyacağız: iyon çevresinde dizilen dipoller, kutuplu moleküllerin birbirini çekmesi, her molekülde bulunan geçici çekimler ve son olarak hidrojen bağı. Ardından bu etkileşimlerin ölçülebilir sonuçlarını sayısal örneklerle değerlendireceğiz.

Ön Bilgi: Kutupluluk, Molekül Şekli ve Fiziksel Özellikler

Bir molekülde pozitif ve negatif yüklerin dağılımı simetrik değilse molekül kutupludur; bu moleküle dipol denir. Kutuplu moleküller, negatif uçlarına yakın pozitif yükleri çeker. Molekülün şekli kutupluluğu doğrudan etkiler; aynı bağlar farklı yerleşimde farklı kutupluluk verebilir.

Saf bir maddenin kaynama noktası, erime noktası, buharlaşma ısısı ve yüzey gerilimi gibi büyüklükler ölçülebilir değerlerdir. Bu değerler molekülün iç düzenine ve moleküller arası etkileşim şiddetine bağlıdır. Aynı maddede bu değerlerden biri büyükse genellikle diğerleri de büyüktür.

Temel Kurallar

Molekül içi bağ ile moleküller arası etkileşim farklıdır. Kovalent bağ çok güçlüdür ve molekülü ayakta tutar. Moleküller arası etkileşimler ise daha zayıftır; molekülleri bir arada tutar ve fiziksel özelliklerin asıl kaynağıdır.

Kutuplu moleküller arasında dipol-dipol çekimi vardır. Bir molekülün negatif ucu, komşu molekülün pozitif ucunu çeker. Bu çekim tek tek zayıf olsa da molekül sayısı çok olduğunda toplamı belirginleşir.

Bütün moleküller arasında London dağılım kuvvetleri vardır. Elektron bulutları sürekli hareket ettiği için anlık geçici kutular oluşur ve moleküller birbirini çeker. Bu kuvvetler kutuplu olmayan moleküller arasında tek başına etkili olur.

Hidrojen bağı özel bir dipol-dipol çekimidir. Hidrojen atomu; flüor, oksijen ya da azot gibi çok kutuplu bir atoma bağlıysa ve bağlı olduğu molekülün kenarında yer alıyorsa komşu molekülün kutuplu atomuyla hidrojen bağı kurar.

Etkileşim güçlüyse kaynama noktası yüksektir. Kaynama için moleküller arası etkileşimlerin aşılması gerekir. Bu yüzden hidrojen bağı kurabilen maddeler, benzer kütleli ama bağ kuramayan maddelerden daha yüksek kaynama noktasına sahiptir.

Moleküller Arası Etkileşimlerin Karşılaştırması

Aşağıdaki tablo, etkileşim türlerini oluşma koşulu ve fiziksel etkisiyle birlikte gösterir. Bir maddenin hangi etkileşimleri kurabileceğini kestirmek, özelliklerini açıklamanın ilk adımıdır.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Adım 1 — Molekülü incele. İyon var mı, molekül kutuplu mu, molekülde flüor, oksijen ya da azota bağlı hidrojen var mı? Bu üç soru, hangi etkileşimlerin devreye girebileceğini belirler.

Adım 2 — Etkileşim türlerini sırala. İyon varsa iyon-dipol, kutupluysa dipol-dipol, daima London kuvvetleri, uygun koşulda da hidrojen bağı devreye girer.

Adım 3 — Etkiyi fiziksel özelliğe bağla. Etkileşimler toplamı ne kadar güçlüyse kaynama noktası, buharlaşma ısısı ve yüzey gerilimi o kadar büyüktür. Bu karşılaştırma soruların çoğunun temelidir.

Adım 4 — Sayısal hesabı birimiyle yap. Yüzde hesabında bileşen kütlesi toplam kütleye bölünür; enerji hesabında madde miktarı birim değerle çarpılır. Sonuçta birim mutlaka yazılır.

Sık Yapılan Hatalar

Bu konuda en çok puan kaybettiren hatalar şunlardır.

• Hidrojen bağını her hidrojene yakıştırmak: Hidrojen bağı, hidrojenin flüor, oksijen ya da azot gibi çok kutuplu bir atoma bağlanmış olmasını gerektirir. Karbona bağlı hidrojen bağı kuramaz.
• London kuvvetlerini kutuplu olmayana özgü saymak: Elektron bulutu hareket ettiği için bütün moleküller arasında geçici kutular oluşur. Kutuplu olmayan moleküller arasında bile bu kuvvetler vardır ve tek başına çekim sağlar.
• Molekül kütlesini tek başına belirleyici saymak: Aynı kütlede hidrojen bağı kurabilen madde, kuramayan maddeye göre daha yüksek kaynar. Etkileşim türü, kütleden daha belirleyicidir.
• Yüzey gerilimi ile kaynama noktasını aynı saymak: İkisi de moleküller arası etkileşimlerden etkilenir ama aynı büyüklük değildir. Yüzey gerilimi sıvının yüzeyiyle, kaynama noktası ise fazla geçişiyle ilgilidir.
• Benzer benzerini çözer ilkesini aşırı genellemek: İlke genel bir eğilimi anlatır; molekülün kendi içi etkileşimleri güçlüyse istisna oluşabilir. Bu yüzden ilkeyi tek başına kesin kural gibi uygulamak yanıltıcıdır.
• Çözünmede molekül içi bağları gözden kaçırmak: Çözünme sırasında molekül içi bağlar kısmen açılabilir. Bu durumda çözünmek için gereken enerji artar ve çözünürlük beklenenden düşük olabilir.

Özet

Molekülleri bir arada tutan şey kovalent bağ değil, moleküller arası etkileşimlerdir. Molekül içi kovalent bağlar atomları sıkıca tutarken moleküller arası etkileşimler maddelerin fiziksel özelliklerini belirler. İyon çevresinde kutuplu moleküllerin dizilmesi iyon-dipol etkileşimini, iki kutuplu molekülün karşılıklı uçlarının birbirini çekmesi dipol-dipol etkileşimini oluşturur. Elektron bulutlarının sürekli hareketi nedeniyle bütün moleküller arasında geçici kutular oluşur ve London dağılım kuvvetleri doğar; bu kuvvetler molekül kütlesi arttıkça güçlenir. Hidrojen bağı ise hidrojenin flüor, oksijen veya azota bağlı olduğu moleküller arasında kurulan özel bir çekimdir ve kaynama noktasını belirgin biçimde yükseltir. Suyun yüksek kaynama noktası, yüksek yüzey gerilimi ve çok sayıdaki bağ sayısı bu kuvvetin sonucudur. Çözünürlükte benzer benzerini çözer ilesi geçerlidir: benzer etkileşimlere sahip maddeler birbirini daha iyi çözer.