Moleküller ve Bileşikler

Atomlar, maddenin temel kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük yapıtaşlarıdır. Ancak kimya çalışmalarının çoğu, atomların diğer atomlarla bir araya gelerek bileşikler oluşturdukları zaman neler olduğu üzerinedir. Bileşik, kimyasal bağlarla bir arada tutulan atom gruplarına verilen addır. Tıpkı atom yapısının pozitif yüklü çekirdek ile çevresindeki negatif yüklü elektronlar arasındaki elektrostatik çekim ile bir arada tutulması gibi, kimyasal bağlar arasındaki kararlılık da elektrostatik çekime bağlıdır. Bunu daha iyi anlamak için iki temel kimyasal bağ türünü ele alalım: Kovalent bağ ve iyonik bağ. Kovalent bağlarda iki atom elektron çiftlerini paylaşırken, iyonik bağlarda elektronlar iki atom arasında aktarılır ve böylece iyonlar oluşur. Haydi bu iki bağ türünü daha detaylı bir şekilde inceleyelim.

İki atom elektron çiftlerini paylaştığında kovalent bağ oluşur. Kovalent bağlarda bağın kararlılığı, iki pozitif yüklü atom çekirdeği ve çekirdekler arasındaki ortak negatif yüklü elektronlar arasındaki ortak elektrostatik çekimden kaynaklanır.

Atomlar kovalent bağ kurmak için bir araya geldiklerinde ortaya çıkan atom topluluğuna molekül denir. Bu sebeple, moleküllerin kovalent bileşiklerin en basit birimi olduğu söylenebilir. Birazdan göreceğimiz üzere, molekülleri göstermenin ve çizmenin birçok yöntemi vardır.

Kimyasal formül (bazen molekül formülü olarak da adlandırılır), molekülleri göstermenin en kolay yoludur. Kimyasal formüllerde var olan elementleri göstermek için periyodik tablodaki element sembollerini, bir molekülde her elementten kaç atom bulunduğunu göstermek için de alt simgeleri kullanırız. Örneğin, tek bir NH${}_3$‍ (amonyak) molekülü, bir azot atomu ve üç hidrojen atomu içerir. Buna kıyasla tek bir N${}_2$‍H${}_4$‍ (hidrazin) molekülü iki azot atomu ve dört hidrojen atomu içerir.

Kavram Kontrolü: Sirkede bulunan basit bir asit olan asetik asidin kimyasal formülü C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍’dir. Buna göre üç molekül asetik asitte kaç tane oksijen atomu bulunur?

Kimya alanındaki araştırmalarınız devam ettikçe bazen kimyacıların molekül formüllerini farklı şekillerde yazdığını göreceksiniz. Örneğin, az önce gördüğümüz gibi, asetik asitin kimyasal formülü C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍’dir ancak formülün bazen CH${}_3$‍COOH olarak yazıldığını da görürüz. Bu ikinci tür formülün var olmasının sebebi, atomların yazılma sırasının asetik asit molekülünün yapısını göstermeye yardımcı olmasıdır ve bu formül zaman zaman sıkıştırılmış yapı formülü olarak da adlandırılır. Aslında CH${}_3$‍COOH formülünü kimyasal formül ile biraz sonra üzerinde duracağımız yapı formülü arasında bir köprü olarak düşünebiliriz.

Kimyasal formüller bize sadece bir molekülde her elementten kaç atom olduğunu gösterirken, yapı formülleri ise bu atomların uzayda nasıl bağlı oldukları ile ilgili de bilgi verir. Yapı formüllerinde atomları birbirine bağlayan kovalent bağları gerçekten çizeriz. Bir önceki bölümde amonyağın kimyasal formülünü (NH${}_3$‍) incelemiştik. Şimdi de yapı formülünü inceleyelim:

Bu yapı formüllerinin ikisinde de merkezdeki azot atomu tek bir kovalent bağla hidrojen atomlarına bağlıdır. Ancak atom ve moleküllerin de evrendeki diğer her şey gibi üç boyutlu olarak var olduğunu unutmamak gerekir, bu da uzunluk, genişlik ve derinlikleri olduğu anlamına gelmektedir. Soldaki yapı formülünde bu molekülün sadece iki boyutlu bir gösterimini görüyoruz. Ancak sağdaki daha detaylı yapı formülünde en sağdaki hidrojen atomunun ekran düzleminin arkasında durduğunu gösteren kesik çizgiler ve ortadaki hidrojenin ise ekran düzleminin ön tarafında durduğunu gösteren kalın (dilime benzeyen) bir çizgi vardır. Azotun üzerindeki iki nokta da herhangi bir kovalent bağa katılmayan bir çift elektron olduğunu gösteriyor. Bu bölümün sonunda bağa katılmayan bu atomların önemi üzerinde duracağız. Bu üç boyutlu şekli daha kesin olarak göstermek için top-çubuk modeli nin yanı sıra boşluk doldurma modeli kullanılır. Haydi beraber NH${}_3$‍ için bu iki modeli inceleyelim:

Sol taraftaki görselde amonyağın boşluk doldurma modeli görülüyor. Azot atomu merkezde daha büyük ve mavi bir küre, üç hidrojen atomu da yanlardaki küçük, üç tane ayak gibi görünen beyaz küreler olarak gösterilmiş. Molekülün genel şekli tepe noktasında azotun, üçgen tabanda ise üç hidrojen atomunun bulunduğu bir piramite benziyor. Molekül şekilleri ve geometrisi çalışırken öğreneceğiniz üzere böyle dizilişlere üçgen piramit denir. Boşluk doldurma modelinin en büyük avantajı farklı atomların boyutlarının farkına yönelik bize bir fikir vermesidir, örneğin, azotun atomik yarıçapı hidrojeninkinden büyüktür.

Sağ taraftaki görselde amonyağın top-çubuk modeli görülüyor. Tahmin edeceğiniz üzere toplar atomları, topları birbirine bağlayan çubuklar ise atomlar arasındaki kovalent bağları temsil ediyor. Bu tür modellemenin avantajı ise kovalent bağları gördüğümüz için molekülün geometrik yapısını daha kolay anlayabilmemiz.

Kovalent bağlarla ilgili artık bir fikrimiz olduğuna göre artık diğer kimyasal bağ türü olan iyonik bağlara geçebiliriz. Elektron çiftlerinin atomlar arasında paylaşıldığı kovalent bağın aksine, iyonik bağlar zıt yüklü iyonların birbirini çekmesiyle oluşur. Bunu daha iyi örneklemek için ilk olarak iyonların yapısını ve nasıl oluştuklarını incelememiz gerekir.

Nötr atomların proton ve elektron sayılarının eşit olduğunu hatırlayalım. Bunun sonucunda protonların pozitif yükü elektronların negatif yükünü nötralize eder, böylece atomun genel yükü, ya da net yükü, sıfır olur.

Ancak bir atom elektron alır ya da verirse protonlarla elektronlar arasındaki denge bozulur ve atom bir iyon ya da net yükü olan bir tür haline gelir. İlk olarak bir atom elektron verirse neler olur ona bakalım:

Yukarıdaki şekilde nötr bir sodyum (Na) atomunun bir elektron verdiğini görüyoruz. Bunun sonucunda sodyum iyonunun (Na${}^{+}$‍) 11 protonu, ancak sadece 10 elektronu bulunuyor. Böylece sodyum iyonunun net yükü +1 oluyor ve bir katyon, yani pozitif yüklü bir iyon haline geliyor.

Şimdi de bir anyonun ya da net yükü negatif olan bir iyonun oluşmasını inceleyelim.

Bu şekilde ise sodyum atomu örneğindekinin tam aksi bir süreç görüyoruz. Burada nötr bir klor atomu, Cl bir elektron alıyor. Bunun sonucunda 17 protonu ve 18 elektonu olan bir klorür iyonu (Cl${}^{-}$‍) oluşuyor. Elektronların -1 yükü olduğu için klorür iyonunun net yükü -1 oluyor. Yani bir anyon başka bir deyişle negatif yüklü iyon haline geliyor.

Not: Nötr atomlar elektron(lar) alarak anyon oluşturduklarında genelde -it eki verilerek isimlendirilir. Örneğin, Br${}^{-}$‍ bromit, O${}^{2-}$‍ oksit, N${}^{3-}$‍ nitrit vs. olarak adlandırılırlar.

Son bölümde sodyumun elektron vererek Na${}^{+}$‍ katyonu oluşturmasını ve klorun elektron alarak Cl${}^{-}$‍ anyonu oluşturmasını inceledik. Ancak bu süreç gerçekte sodyumun klora elektron vermesiyle tek seferde gerçekleşebilir! Bunu aşağıdaki şekilde görselle gösterebiliriz:

Burada, Na${}^{+}$‍ ve Cl${}^{-}$‍ iyonlarını oluşturmak için sodyumdan bir elektronun klora aktarılmasını görüyoruz. Bu iyonlar oluştuğunda aralarında çok güçlü bir bir elektrostatik çekim oluşur, bu çekim de iyonik bağların oluşumuna yol açar. İyonik bağlarla kovalent bağları ayıran en büyük özelliklerden birinin, iyonik bağlarda elektronlar tamamen aktarılırken kovalent bağlarda elektronların paylaşılması olduğunu görüyoruz.

Not: Bağlarla ilgili daha fazla şey öğrendikçe, gerçekte kovalent ve iyonik bağlar arasındaki farkın siyah ve beyaz gibi net olmadığını, aslında bu iki bağın bir spektrumun iki ucu olduğunu anlayacaksınız. Saf bir iyonik bağı tamamen eşit olmayan bir elektron paylaşımı, saf bir kovalent bağı ise tamamen eşit bir elektron paylaşımı gibi de düşünebiliriz. Ancak gerçekte çoğu kimyasal bağ bu iki durum arasında bir yerdedir.

Şimdi iyonik bağları göstermenin ve çizmenin farklı yöntemlerini inceleyeceğiz. En çok bilinen, sofra tuzu denen iyonik bileşikle yani sodyum klorür örneği ile devam edeceğiz. Sodyum klorürdeki tek bir iyonik bağ aşağıdaki gibi gösterilebilir:

Pozitif yüklü sodyum katyonu ile negatif yüklü klorür anyonu ortak elektrostatik çekimleri dolayısıyla yan yana gelecek şekilde konumlanırlar. Elektronlar paylaşılmadığı için iyonik bağları kovalent bağlarda yaptığımız gibi çizgiyle göstermeyiz. Sadece iyonların zıt yükleri sebebiyle arada bir çekim olduğunu belirtiriz.

Ancak yukarıdaki şekil sadece bir modeldir. Sodyum klorür doğada tek bir klorür anyonuyla bağlanan tek bir sodyum katyonu olarak bulunmaz. Daha önce de belirttiğimiz gibi sodyum klorür sofra tuzudur— çok güçlü bir mikroskop kullanarak sofra tuzunu atomik düzeyde inceleyebilsek aşağıdaki gibi bir yapı görürüz:

Şekilde Na${}^{+}$‍ ve Cl${}^{-}$‍ iyonlarının uzayda aralarındaki ortak elektrostatik çekime bağlı olarak yan yana konumlandığını görüyoruz. İyonlar daha sonra çok güçlü iyonik bağlarla sabit tutuluyor. Yukarıdaki yapı kristal kafes olarak bilinir ve sodyum klorür de, çoğu iyonik bileşik gibi kristal yapıda olan bir katıdır. İleride göreceğiniz farklı tür katılar hakkındaki derslerde bu konu ile ilgili daha fazla şey öğreneceksiniz.

Artık hem kovalent hem de iyonik bağlarla ilgili temel bilgilerin üzerinden geçtiğimize göre birkaç önemli noktaya dikkat çekmemiz gerekir. Sadece kovalent bağlarla bir araya gelen atom gruplarına molekül dendiğini biliyoruz. Ancak molekül sözcüğünün sadece kovalent bileşikler için kullanılmadığını unutmamak gerekir. Sodyum klorür gibi iyonik bileşiklerde, önceki şekilde de gördüğümüz üzere, sodyum klorür aslında birçok sodyum ve klor iyonunun büyük bir kristal yapı olarak bir araya gelmesiyle oluştuğu için, tek bir sodyum klorür molekülü yoktur. Bu yüzden bir parça NaCl için "molekül" değil "formül birimi" terimi kullanılıyor. Formül birimlerinin moleküllerin aksine doğada tek başına bulunmadığını hatırlamakta fayda var, formül birimlerini sadece referans ve kolaylık için kullanıyoruz.

Kavram kontrolü: Hangi tür bileşikler moleküllerden oluşur: iyonik mi kovalent mi?

Tüm kimyasal bağlar elektrostatik çekime bağlıdır. Atomlar kimyasal bağlarla bir araya geldiğinde bileşik, yani iki ya da daha fazla atomdan oluşan yapılar oluştururlar. Bir bileşiğin temel oluşumu kimyasal formül kullanılarak gösterilebilir. Kimyasal formüllerde belirli bileşiklerdeki element türlerini göstermek için periyodik tablodaki semboller, her elementten kaç tane olduğunu göstermek için de alt simgeler kullanılır.

Bileşikler kovalent ya da iyonik olabilirler. Kovalent bileşiklerde atomlar yan yana iki atom çekirdeği arasında paylaşılan elektron çiftlerinden oluşan kovalent bağlar oluşturur. Kovalent bileşiklere örnek olarak amonyak verilebilir. Amonyağın kimyasal formülü NH${}_3$‍'tür, bu formülden bir amonyak molekülünün bir azot atomu ve üç hidrojen atomu içerdiğini anlayabiliriz. Kovalent bileşiklerin yapısı boşluk doldurma modeli ve top-çubuk modeliyle gösterilir.

İyonik bileşiklerde, elektronlar bir atomdan diğerine aktarıldığında katyon ya da pozitif yüklü iyon ve anyon ya da negatif yüklü iyon oluşur. Bitişik katyon ve anyonların arasındaki güçlü elektrostatik çekim iyonik bağ olarak bilinir. İyonik bileşiklerin en bilinen örneği sofra tuzu olarak bilinen sodyum klorürdür (NaCl) . Kovalent bileşiklerin aksine, iyonik bileşiklerin molekülü diye bir şey yoktur. Bunun sebebi doğada NaCl'nin tek tek birimler halinde değil uzayda yer alan birden fazla Na${}^{+}$‍ ve Cl${}^{-}$‍ iyonlarından oluşan kristal bir yapıda bulunmasıdır. NaCl kimyasal formülü bu bileşiğin tek bir formül birimini gösterir.