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.
| Etkileşim Türü | Aranan Koşul | Fiziksel Etkisi |
|---|
| İyon-dipol | İyon ile kutuplu molekül bulunması | İyonların çözünmesini kolaylaştırır |
| Dipol-dipol | Her iki molekülün de kutuplu olması | Kaynama noktasını yükseltir |
| London dağılım kuvveti | Tüm moleküller arasında bulunur | Kütle arttıkça güçlenir |
| Hidrojen bağı | H atomunun F, O veya N ye bağlı olması | Kaynama ve erime noktasını belirgin biçimde yükseltir |
| Yüzey gerilimi | Sıvı yüzeyinde birim alan başına enerji | Düşükse sıvı kolay yayılır |
| Molekül içi kovalent bağ | Atomlar arasında elektron paylaşımı | Molekülü tek parça olarak tutar |
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.
Kendi kendine dene: Bir deterjan çözeltisinin yüzey gerilimini, bir boya fabrikasındaki amin çözeltisinin kütlece yüzdesini ve bir kâğıt üretim hattındaki yüzey gerilimi artışını hesaplayınız. Üç molekülün molekül formülü verilmişse her biri için kaç hidrojen atomunun hidrojen bağı kurabileceğini bulunuz. Bir maddede moleküller arası etkileşimler güçlüyse kaynama noktasının neden yükseldiğini yazınız ve bu düşünceyi suyun kaynama noktası örneğiyle destekleyiniz.
Ne Öğreneceğiz
İyon-dipol, dipol-dipol, London dağılım kuvvetleri ve hidrojen bağı gibi moleküller arası etkileşimleri tanıma; hidrojen bağının oluşma koşullarını belirleme, bu etkileşimlerin kaynama noktası, erime noktası, buharlaşma ısısı ve yüzey gerilimi üzerindeki etkisini değerlendirme, çözünürlük olayını benzerlik ilkesiyle açıklama. Bu konuda ögrenme çıktıları:
- Moleküller arası etkileşim türlerini sınıflandırır ve aralarındaki farkı belirtir.
- Hidrojen bağının oluşma koşullarını belirleyerek hangi moleküllerde oluşabileceğini tahmin eder.
- Etkileşim türlerinin kaynama noktası, erime noktası ve buharlaşma ısısı üzerindeki etkisini karşılaştırır.
- Suyun yüksek kaynama noktasını ve yüksek yüzey gerilimini moleküller arası etkileşimlerle açıklar.
- Benzer benzerini çözer ilkesini uygulayarak çözünürlük tahmini yapar.
- Molekül içi bağ ile moleküller arası etkileşimin gücünü karşılaştırır.
Basit Örnek ve Günlük Yaşam
Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:
Soru: Hidrojen bağı kurabilen hidrojen atomu hangi atoma bağlı olmalıdır?
- Hidrojen bağı, dipol-dipol çekimin özel bir hâlidir.
- Bu çekim ancak çok kutuplu bir atomda belirginleşir.
- Bu nedenle flüor, oksijen veya azot gerekir.
Sonuç/cevap: Flüor, oksijen ya da azot
İleri Örnek
Daha ileri bir uygulama:
Soru: Saf su 72, çözelti 54 mN/m yüzey gerilimine sahipse fark kaç mN/m dir?
- Başlangıç değerinden son değer çıkarılır.
- Fark doğrudan yüzey gerilimi farkıdır.
- Sonuç birimiyle birlikte yazılır.
Sonuç/cevap: 18 mN/m
Karşılaştırma Tablosu
| Kavram | Açıklama |
|---|
| Hidrojen bağı için hidrojenin flüor, oks | Hidrojen bağı için hidrojenin flüor, oksijen ya da azota bağlı olması şarttır. |
| London dağılım kuvvetleri bütün moleküll | London dağılım kuvvetleri bütün moleküller arasında bulunur; kutuplu olmamak bu kuvvetleri ortadan kaldırmaz. |
| Etkileşim türü, aynı molekül kütlesine s | Etkileşim türü, aynı molekül kütlesine sahip maddelerde kaynama noktasını belirleyen etken olabilir. |
| Suyun kaynama noktası, molekül başına dü | Suyun kaynama noktası, molekül başına düşen iki hidrojen bağı nedeniyle komşu maddelerden yüksektir. |
| Yüzey gerilimi düşük olan sıvılar ıslak | Yüzey gerilimi düşük olan sıvılar ıslak yüzeylere daha kolay yayılır; bu yüzden yüzey aktif maddeler kullanılır. |
| Benzer benzerini çözer ilkesi, etkileşim | Benzer benzerini çözer ilkesi, etkileşim türlerinin benzerliğine dayanır. |
| Molekül içi bağın gücü, moleküller arası | Molekül içi bağın gücü, moleküller arası etkileşimlerden çok daha büyüktür; ayırt etmek zorunludur. |
Kendini Dene
Soru: Suyun kaynama noktasının benzer kütleli öteki maddelerden yüksek olmasını moleküller arası etkileşimlerle açıklayınız. Suyun yüksek yüzey gerilimi de aynı açıdan yorumlanabilir mi?
Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Kaynama için moleküller arası etkileşimlerin aşılması gerektiği yazılır (4 puan). Suda molekül başına iki hidrojen bağı kurulabildiğinin ve bunun güçlü bir etkileşim olduğunun belirtilmesi beklenir (6 puan). Aynı kütledeki bağı kuramayan maddelerle karşılaştırma yapılması (4 puan). Yüzey geriliminin de aynı etkileşimlerden kaynaklandığının ve suyun yüzeyinde birim alan başına daha fazla enerji bulunduğunun açıklanması (6 puan).
