Kimyasal Bağlar

Canlılar atomlardan oluşur fakat pek çok durumda atomlar kendi başlarına takılmazlar; genellikle diğer atomlarla (veya atom gruplarıyla) etkileşime geçerler.

Atomlar, örneğin, güçlü bağlarla birbirine bağlanıp, moleküller veya kristaller oluşturabilirler. Ya da çarpıştıkları veya temas ettikleri diğer atomlarla geçici ve zayıf bağlar kurabilirler. Hem molekülleri bir arada tutan güçlü bağlar hem de geçici bağlantılar kuran zayıf bağlar, vücudumuzun kimyası ve yaşamın devamlılığı için son derece önemlidir.

Kimyasal bağların oluşmasının en temel sebebi atomların en kararlı yapıya geçebilmek (en düşük enerji seviyesi) için gösterdikleri çabadır. Atomların çoğu değerlik (valans) kabuğu elektronlarla dolduğunda veya oktet kuralını tamamladıklarında (8 değerlik elektronuna sahip olduklarında) kararlı yapıya geçerler. Bu şekilde düzenlenmemiş atomlar ise kurdukları bağlarla elektron alarak, vererek veya paylaşarak kararlı yapıya geçmeye çalışır.

Bazı atomlar başka bir atomdan elektron alarak veya bu atoma elektron vererek daha kararlı bir yapıya sahip olurlar. Bunu yaparken de yüklü parçacıklar olan iyonları oluştururlar. Elektron kaybetmek veya kazanmak, en dışta bulunan elektron kabuğunun dolmasını sağlar ve atomu enerji açısından daha kararlı bir yapıya kavuşturur.

İyonlar iki şekilde oluşurlar. Katyonlar elektron kaybederek oluşan pozitif iyonlardır. Örneğin; bir sodyum atomu bir elektron kaybederek sodyum katyonu ${\text{Na}}^{+}$‍ haline gelir. Elektron alarak oluşan iyonlara ise anyon adı verilir. Anyonlar kelimenin sonuna "-ür" getirilerek oluşturulur. Örneğin klor anyonu (${\text{Cl}}^{-}$‍) klorür olarak adlandırılır.

Bir atomun elektron alıp diğerinin elektron verdiği durum elektron aktarımı olarak adlandırılır. Sodyum ve klor atomları elektron aktarımına iyi bir örnek oluştururlar.

Sodyumun (Na) en dıştaki elektron kabuğunda yalnızca bir atom bulunur. Sodyumun, dış kabuğunu doldurmak için 7 elektron daha bulmaktansa en dış kabuğundaki bir elektronu başka bir atoma vermesi daha kolay (enerji açısından daha uygun) olacaktır. Bu nedenle sodyum bir elektronunu kaybeder ve Na${}^{+}$‍ oluşturur.

Klorun (Cl) ise en dıştaki kabuğunda yedi elektron bulunur. Bu durumda da, yedi elektron vermektense bir elektron almak daha kolay olduğu için klor başka bir atomdam bir elektron alarak Cl${}^{-}$‍ haline gelir.

Sodyum ve klor bir araya geldiğinde sodyum, en dıştaki kabuğunu boşaltmak için bir elektronunu verir; klor da en dıştaki kabuğunu doldurmak için bu elektronu alır. Bu şekilde her iki iyon da oktet kuralını tamamlamış ve dış kabuklarını doldurmuş olurlar. Elektron sayıları, proton sayılarına eşit olmadığı için her atom bir iyon haline gelir ve +1 (Na${}^{+}$‍) veya –1 (Cl${}^{-}$‍) değerlik alırlar.

Bir atomun elektron kaybetmesi ve başka bir atomun elektron alması genelde aynı anda gerçekleşir: Sodyumun bir elektronunu kaybedebilmesi için klor atomu gibi bu elektrona ihtiyacı olan bir alıcı bulması gerekmektedir.

İyonik bağlar zıt yüklü iki iyon arasında kurulan bağlardır. Örneğin; pozitif yüklü sodyum iyonları ve negatif yüklü klor iyonları, sodyum klorür (sofra tuzu) oluşturmak için birbirini çekerler. Pek çok iyonik bileşik gibi sofra tuzu da yalnızca bir sodyum ve bir klorun bir araya gelmesiyle değil; birden fazla iyonun kendini tekrar ederek üç boyutlu bir yapı (bir kristal) oluşturmasıyla oluşur.${}^1$‍

Belirli atomlar (sodyum, potasyum ve kalsiyum dahil olmak üzere), fizyolojide elektrolitler olarak nitelendirilirler. Bu iyonlar sinir sinyallerinin iletimi, kas kasılmaları ve su dengesi açısından oldukça önemlidirler. Spor içeceklerinin ve beslenme takviyelerinin büyük bir bölümü bu iyonları içerir, böylelikle egzersiz sırasında terlerken vücuttan atılan iyonlar bu şekilde vücuda geri alınmış olur.

Atomlar elektronlarını tamamen vererek veya başka bir atomun elektronlarını n tamamını alarak iyonik bağ kurmak yerine bu elektronları başka bir atomla paylaşarak da kararlı yapıya geçebilirler. Atomların elektron paylaşarak kurdukları bu bağa kovalent bağ adı verilir. Canlı organizmaların moleküllerinde, iyonik bağlardan çok kovalent bağa rastlanır.

Kovalent bağlar DNA ve proteinler gibi karbon bazlı organik moleküllerin yapıları açısından oldukça önemlidirler. Ek olarak, ${\text{H}}_2\text{O}$‍, ${\text{CO}}_2$‍, ve ${\text{O}}_2$‍ gibi daha küçük inorganik moleküllerde de kovalent bağ bulunur. Atomlar arasında, bir, iki ya da üç elektron paylaşılabilir ve bunun sonucunda da sırasıyla tek, çift ve üçlü bağlar kurulur. Atomlar arasında paylaşılan elektron sayısı ne kadar fazlaysa, bağ da o kadar kuvvetli olur.

Kovalent bağa bir örnek olarak suyun yapısını inceleyebiliriz. Tek bir su molekülü, ${\text{H}}_2\text{O}$‍, tek bir oksijen atomuna bağlı iki hidrojen atomundan oluşur. Her iki hidrojen bir elektronunu oksijenle paylaşır, oksijen de bir elektronunu her iki hidrojenle paylaşır:

Paylaşılan elektronlar zamanlarını hidrojen ve oksijen atomlarının değerlik elektron kabuğu arasında her iki atomun değerlik kabuklarını tamamlayacak şekilde (Hidrojen için 2 ve oksijen için 8) paylaştırırlar. Bu durum su molekülünü, onu oluşturan atomlara ait moleküllerden daha dengeli hâle getirir.

Polar ve apolar olmak üzere iki temel kovalent bağ tipi bulunmaktadır. Bir polar kovalent bağda elektronlar iki atom arasında eşit olmayan bir şekilde paylaşılır ve zamanlarının daha büyük bir kısmını atomların birinin yanında geçirirler. Elektronların atomlar arasında bu eşit olmayan paylaşımı nedeniyle, molekülün farklı taraflarında hafif bir pozitif yük (δ+) ve hafif bir negatif yük (δ–) ortaya çıkar.

Su molekülünde (yukarıda) oksijeni her bir hidrojene bağlayan bağlar, polar bağlardır. Su molekülündeki oksijen atomu, hidrojen atomlarından daha elektronegatiftir, yani paylaşılan elektronları daha fazla çeker. Bunun sonucunda, suyun oksijenli kısmi negatif bir yük taşırken (yani elektron yoğunluğu yüksektir), hidrojen atomlarının bulunduğu kısmı ise kısmi pozitif bir yük taşır (elektron yoğunluğu düşüktür).

Genel olarak, bir bağdaki iki atomun bağıl elektronegatiflikleri (yani ortak kullanılan elektronları çalma eğilimleri) bir kovalent bağın polar mı apolar mı olduğunu belirler. Bir element, ne zaman diğerinden çok daha elektronegatifse aralarındaki bağ polar olacaktır, yani bağın bir ucu hafif pozitif yük alırken diğeri hafif negatif yük alacaktır.

Apolar kovalent bağlar aynı elementin iki atomu arasında veya elektronegatifliği az çok bir birbine eşit olan iki farklı elementin atomları arasında oluşur. Örneğin moleküler oksijenin (${\text{O}}_2$‍) bağları apolardır, çünkü ortak elektronlar iki oksijen atomu arasında eşit olarak paylaşılmaktadır.

Başka bir örnek olarak nonpolar kovalent bağ içeren metanı (${\text{CH}}_4$‍) verebiliriz. Karbonun en dıştaki elektron (değerlik) kabuğu içinde dört elektron vardır ve kararlı bir sekizli elde etmek için dört tane daha elektrona ihtiyacı vardır. Karbon bunu her bir elektronunu, tek elektron verebilecek olan dört hidrojen atomu ile paylaşarak sağlar. Diğer taraftan, hidrojen atomlarının değerlik kabuğunu tamamlamak için bir elektrona daha ihtiyaçları vardır ve bunu bağ kurdukları karbondan sağlarlar. Karbon ve hidrojen aynı elektronegatiflikte olmamalarına rağmen çok benzerdirler ve bu nedenle karbon-hidrojen bağı apolar bir kovalent bağ olarak kabul edilir.

Kovalent ve iyonik bağların her ikisi de kuvvetli bağlar olarak kabul edilir. Ancak atomlar ve moleküller arasında daha geçici bağlar (zayıf bağlar) oluşabilir. Biyolojide sık sık karşımıza çıkan bu zayıf bağların iki tipi; hidrojen bağları ve London dağılım kuvvetleridir.

Çok kasvetli bir hava yaratmak istemem, ama eğer bu iki bağ olmasaydı bizim bildiğimiz şekliyle yaşam var olmayacaktı! Örneğin hidrojen bağları suya, yaşam için gerekli birçok özelliğini sağlar ve hücrenin temel bileşenleri olan protein ve DNA'nın stabilizasyonunu sağlarlar.

Hidrojen içeren polar kovalent bağlarda (örneğin su molekülündeki O-H bağı) hidrojen, elektronların diğer elemente daha güçlü şekilde çekilmesi nedeniyle hafif pozitif yüklüdür. Bu hafif pozitiflik sayesinde hidrojen herhangi bir komşu negatif yük tarafından çekilmeye hazırdır. Bu etkileşim hidrojen bağı olarak adlandırılır.

Hidrojen bağları çok yaygındır ve özellikle su molekülleri bunlardan çok sayıda oluştururlar. Tek bir hidrojen bağı zayıftır, ama birçok hidrojen bağı birlikte çok güçlü olabilir.

Hidrojen bağlarına benzer şekilde London dağılım kuvvetleri de moleküller arası zayıf çekimlerdir. Bunlar herhangi bir atom veya molekül arasında oluşabilir ve bu bağlar moleküller içinde geçici olarak oluşan dengesiz elektron dağılımlarına bağlıdırlar.

Bu nasıl meydana gelir? Elektronlar devamlı hareket halinde olduklarından, bir molekül veya atomun elektronları anlık olarak bir öbek oluşturabilirler, bu da molekülün o kısmında anlık bir negatif yük oluşturur (ve elektronların azaldığı diğer kısımda da kısmi bir pozitif yük oluşmasına sebep olur). Bu şekilde anlık dengesiz yük dağılımına sahip bir molekül, benzer yük dengesizliğine sahip diğer bir moleküle çok yakınsa, bunların geçici negatif ve pozitif yükleri birbirlerini çekeceklerdir.${}^2$‍

Hidrojen bağları ve London dağılım kuvvetlerinin ikisi birden moleküller arası etkileşiminin genel bir terimi olan van der Waals bağlarına örnektir.${}^3$‍ Bazı ders kitapları van der Waals terimini sadece London dağılım kuvvetleri için kullanır, bu nedenle ders kitabınızın veya öğretmeninizin hangi tanımı kullandığına dikkat edin.

Kuvvetli ve zayıf bağların her ikisi de hücrelerimizde ve vücudumuzda kilit roller üstlenirler. Örneğin, kuvvetli kovalent bağlar DNA iplikciğinin kimyasal yapı taşlarını bir arada tutar. Daha zayıf hidrojen bağları ise iki iplikciği bir arada tutarak DNA çift sarmalını oluşturur. Bu zayıf bağlar DNA'nın kararlı olmasını sağlar, ama onun kopyalanma ve hücre tarafından kullanılması sırasında açılmasına da olanak verir.

Daha genel olarak, hücrenin sulu ortamında iyonlar, su ve polar moleküller arasındaki bağlar sürekli olarak oluşur ve koparlar. Bu şartlarda, farklı tipteki moleküller birbirleri ile zayıf ve yük temelli bağlar ile etkileşime girerler. Örneğin bir Na${}^{+}$‍iyonu, bir an su molekülü ile etkileşimdeyken bir sonraki anda bir proteinin negatif yüklü bir kısmı ile etkileşime girebilir.

Ne kadar hayranlık verici, değil mi? Şu anda vücudumuzda zayıf-kuvvetli, sabit-geçici milyarlarca kimyasal bağ etkileşimi oluşuyor, vücudumuzu bir arada tutuyor ve çeşitli işlevlerin devamlılığını sağlıyorlar.