UNIT 9: Interactions Between Molecules

Project Number: 2023-1-PL01-KA220-SCH-000164042

ÜNİTE 9: Moleküller Arası Etkileşimler

Funded by the European Union. Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Education and Culture Executive Agency (EACEA). Neither the European Union nor EACEA can be held responsible for them.

Zayıf Moleküller Arası Etkileşimler & Güçlü Molekül İçi Bağlar

Source: canva.com

Giriş

Bu etkinlikte moleküller arası zayıf bağlar ve molekül içi güçlü etkileşimleri keşfedeceksiniz.

Source: canva.com

Öğrenme Çıktıları

1- Öğrenciler zayıf ve güçlü etkileşimler arasındaki farkı ifade ederler. 2- Öğrenciler, zayıf ve güçlü etkileşimlerle ilişkilendirerek moleküler düzeyde kaynama olayını açıklarlar.

Source: canva.com

Atomlar

Evrendeki tüm maddelerin atomlardan oluştuğunu biliriz. Ancak atomlar çok nadir olarak doğada tek başlarına bulunurlar. Atomlar diğer atomlar etkileşime girerek element ve bileşikleri oluştururlar.

Source: canva.com

Atomlar

elektron

Bu etkileşimin nasıl gerçekleştiği ise atomların sahip oldukları elektronlarının sayısı ve düzenine bağlıdır.

Source: canva.com

Atomlar

çekirdek

Aslında bir atomu gözlemlemeye çalıştığınızda ilk etap göreceğiniz tek şek atomu çekirdeğidir.

Source: canva.com

Atomlar

elektron

Çekirdek, atomun merkezinde yer alır ve içerisinde “+” yüklü “proton” isimli tanecikleri ile bu protonları adeta bir yapışkan gibi bir arada tutan (çünkü biliyorsunuz ki aynı yükler birbirini iter, zıt yükler birbirini çeker) yüksüz “nötronları” barındırır.

proton

nötron

Source: canva.com

Atomlar

Proton

Bir atomun türünü belirleyen parçacık protondur. Bu yüzden proton sayısını atomun kimlik kartı gibi düşünebilirsiniz.

Protonlar, atomun çekirdeğinde (merkezinde) bulunan pozitif yüklü parçacıklardır.

Source: canva.com

Atomlar

Elektron

Bunlara ek olarak, çekirdeğin dışında yer alan, ancak ilk bakışta göze çarpmayan ancak birazdan ele alacağımız kimyasal bağ konusunun başrolü olan üçüncü bir parçacık türü daha vardır: Elektronlar.

Elektronlar, çekirdeğin etrafında dolanan negatif yüklü parçacıklardır.

Source: canva.com

Atomlar

İlk bakışta göze çarpmayan diyoruz, çünkü elektronlar proton ve nötronlara göre çok daha küçük ve çekirdekten çok uzakta çok hızlı hareket eden parçacıklardır. Ancak “-“ yüklü bu parçacıklar tamamen rastgele hareket etmezler.

elektron

Source: canva.com

Atomlar

Fen kitaplarında güneş sistemine benzetilen çeşitli atom modellerini (Bohr atom modeli) görmüşsünüzdür. Bu her ne kadar tam olarak doğru bir gösterim değilse de, elektronların hareketlerini ve bağ yapısında oynadıkları rolü anlamamızı kolaylaştırdığından halen pek çok kaynakta kullanılmaya devam edilmektedir.

Bohr atom modeli

Source: canva.com

Atomlar

Buna göre elektronlar, çekirdeğin etrafındaki belirli yörüngelerde, ya da daha teknik bir tabirle konumlarına ilişkin olasılık durumlarını ifade eden çeşitli katmanlardan oluşan enerji seviyelerinde hareket ederler. Bu katmanlar farklı elektron kapasitelerine sahiptir. Çekirdeğe en yakın katman, iki taneye kadar elektron tutabilir.

Source: canva.com

Atomlar

İkinci ve üçüncü enerji seviyeleri sekiz taneye kadar elektron tutabilir. Bir enerji seviyesindeki katman dolduğunda yeni gelen elektron bir üst enerji seviyesindeki katmana yerleşir. Dolayısıyla atomun en dış katmanından önceki tüm katmanlarda elektron kapasitesi tamamen doludur.

Source: canva.com

Atomlar

Bu nedenle kimyasal bağlardan bahsederken en dış yörüngede (valans yörüngesi) yer alan elektronlar dikkate alınır. Bazı elementlerde valans yörüngesindeki elektron kapasitesi tam olarak dolmamıştır. Bu durum o atomun kararsız halde olmasına sebep olmaktadır.

Source: canva.com

Atomlar

Atomlar her zaman tüm yörüngelerindeki elektron kapasitesini tam olarak doldurma ve kararlı hale gelme eğilimindedirler. Bunun için diğer elementlerle elektron paylaşabilir, onlara elektron verebilir ya da onlardan elektron kabul edebilir.

AtomSerbest Elektron Çarpışma

Source: canva.com

Atomlar

Bunun sonucunda atomdaki pozitif ve negatif yüklü taneciklerin dengesi değişecektir. Eğer bir atomdaki “+” yüklü protonlar ile “-“ yüklü elektronların sayısı birbirine eşitse “nötr atom” olarak adlandırılır.

Source: canva.com

Atomlar

Ancak bir atom, eşit sayıda proton ve elektron barındırmıyorsa, bu atoma “iyon” adı verilir.

Source: canva.com

Atomlar

Bu tür atomlarda elektron sayısı proton sayısına eşit olmadığından, her bir iyonun net bir yükü vardır. Elektron sayısı proton sayısından daha fazlaysa “negatif iyon”, proton sayısı elektron sayısından fazlaysa “pozitif iyon” olarak isimlendirilirler.

Source: iStock.com

Atomlar

Örneğin, lityum en dış katmanında tek bir elektron bulundurur. Lityumun o bir elektronu vermesi, dış katmanını doldurmak için yedi tane daha elektron kabul etmesinden daha az enerji alır.

Source: canva.com

Atomlar

Eğer lityum bir elektron kaybederse artık üç protonu ve yalnızca iki elektronu olur, bu da kendisini toplam +1 yüküyle bırakır ve adı lityum katyonu olur. Burada bahsettiğimiz lityum iyonu bir pozitif iyondur.

Source: canva.com

Atomlar

Atomların kararlı hale geçme eğilimleri ve dönüştükleri yüklü etkileşimler iyonlar arasındaki kimyasal bağların temelini oluşturmaktadır. Kimyasal türler arası bu etkileşimleri “güçlü etkileşimler” ve “zayıf etkileşimler” olarak sınıflandırabiliriz.

Source: canva.com

Atomlar

Bu etkileşimler sayesinde atomlar doğada bulundukları element ve bileşik formlarını alırlar. Güçlü etkileşimler, molekülleri oluşturan atomları bir arada tutan kuvvetler yani kimyasal bağlardır. Zayıf etkileşimler ise pozitif ve negatif yüklü moleküller arasında ortaya çıkan kuvvetlerdir.

Source: iStock.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

1) İyonik Bağ

İyonik bağ iki kimyasal tür arasındaki elektron alışverişine dayanır. Sonuçta eksi yüklü bir iyon olan anyon ve artı yüklü bir iyon olan katyon oluşur.

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

1) İyonik Bağ

Artı ve eksi yükler arasındaki elektriksel çekim kuvveti nedeniyle oluşan kimyasal bağ, iyonik bağ olarak isimlendirilir. Nötr sodyum atomunun 11 elektronu ve 11 protonu vardır. En dışta yer alan valans yörüngesinde kabuğunda 1 elektron bulunur.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

1) İyonik Bağ

En dışta yer alan valans yörüngesinde 7 elektron bulunur. Klor 1 elektron alarak kararlı hale gelebilir. Sodyum klorür molekülü oluşurken sodyum atomları 1 elektron vererek artı yüklü sodyum iyonunu (Na+) ve klor atomları 1 elektron alarak eksi yüklü klor iyonunu (Cl- ) oluşturur.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

1) İyonik Bağ

Zıt yüklü hale gelen iyonlar arasındaki elektriksel çekim kuvveti nedeniyle aralarında iyonik bağ oluşur. İyonik bağı oluşturan atomların elektronegatiflikleri yani kimyasal bağa katılan elektronları çekme kapasiteleri arasında belirgin bir fark vardır. Bu nedenle iyonik bağ genellikle elektronegatifliği düşük metal atomları ile elektronegatifliği yüksek ametal atomları arasında oluşur.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

2) Kovalent Bağ

İki atomun elektronegatiflikleri arasında belirgin bir fark olmadığında, atomlar elektronlarını ortaklaşa kullanarak kararlı hâle geçmeye çalışabilir. Elektronegatiflikleri birbirine yakın olan atomlar arasında oluşan ve elektronların ortaklaşa kullanıldığı kimyasal bağ, kovalent bağ olarak isimlendirilir.

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

2) Kovalent Bağ

Aynı tür iki atom arasında oluşan kovalent bağ, apolar (kutupsuz) kovalent bağ olarak isimlendirilir. Örneğin hidrojen (H2) molekülünde iki hidrojen atomu elektronlarını ortaklaşa kullanarak elektron dizilimlerini bir soy gaz olan helyuma benzetmeye çalışır.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

2) Kovalent Bağ

Apolar kovalent bağda atomların elektronegatiflikleri aynı olduğundan, bağ oluşumuna katılan elektronlar atomlar tarafından eşit miktarda çekilir. Bu nedenle molekülde elektriksel yüklerin dağılımı dengelidir.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

2) Kovalent Bağ

Elektronegatiflikleri arasında küçük bir fark bulunan iki atom arasında oluşan kovalent bağ, polar (kutuplu) kovalent bağ olarak isimlendirilir.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

2) Kovalent Bağ

Örneğin su molekülünde oksijenin elektronegatifliği hidrojeninkinden büyüktür. Su molekülünde hidrojen ve oksijen tarafından ortaklaşa kullanılan bağ elektronları oksijen tarafından daha fazla çekildiği için oksijen atomları kısmen eksi, hidrojen atomları ise kısmen artı yükle yüklenir. Bu nedenle su molekülü polar yani kutuplu bir moleküldür.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

3) Metalik Bağ

Metalik bağ, metal atomları arasında oluşan bir bağ türüdür. Metallerin düşük elektronegatiflikleri nedeniyle, bu atomlar bağ oluşumunda yer alan elektronları zayıf bir şekilde çekerler. Metal atomları bir araya geldiğinde, en yüksek enerjili elektron kabuğundaki değerlik elektronları atomlardan ayrılarak komşu metal atomlarının değerlik orbitallerinde serbestçe hareket eder.

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

3) Metalik Bağ

Bu serbest dolaşan değerlik elektronları, bir elektron denizi oluşturur ve sonuç olarak artı yüklü metal iyonları ile bu serbest elektronlar arasındaki elektrostatik çekim kuvvetleri nedeniyle metalik bağ meydana gelir.

Source: canva.com

GÜÇLÜ ETKİLEŞİMLER: KİMYASAL BAĞLAR

3) Metalik Bağ

Metallerin erime ve kaynama sıcaklıklarının yüksek olması renklerinin parlak olması, dövülerek şekillendirilebilmeleri, ısı ve elektriği iyi iletmeleri gibi özelliklerinin nedeni, serbest olarak hareket edebilen değerlik elektronlarıdır.

Source: Shutterstock.com

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

Zayıf etkileşimler pozitif ve negatif yüklü moleküller arasında ortaya çıkan etkileşimlerdir. Zayıf etkileşimde bir bağdan söz edilmez. Her ne kadar bozulması kimyasal bağlar kadar zor olmayan bir etkileşim çeşidi olsalar da zayıf etkileşimlerin etkisini çevremizde belirgin bir şekilde fark edebiliriz. Zayıf etkileşimleri temel olarak hidrojen bağı ve Van der Waals kuvvetleri olarak iki başlıkta ele alabiliriz.

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

1.Hidrojen Bağı

Hidrojen bağı, en güçlü moleküller arası zayıf etkileşim türüdür. Hidrojenin oksijen, azot, flor gibi kararlı hale geçmek için elektron alma isteği (elektronegatifliği) yüksek elementlerle oluşturduğu moleküller arasında ortaya çıkar.

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

1.Hidrojen Bağı

Hidrojen elektronegatifliği yüksek bir elementle kovalent bağ kurduğunda, bağ oluşumunda yer alan elektronlar elektronegatifliği yüksek elementin atomları tarafından daha fazla çekilir.

Source: canva.com

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

1.Hidrojen Bağı

Bu nedenle elektronegatifliği yüksek atomun üzerinde eksi yük yoğunluğu hidrojene kıyasla daha yüksektir. Sonuçta elektronegatifliği yüksek atom kısmen eksi yükle (𝛿𝛿- ) yüklenirken, hidrojen kısmen artı yüke (𝛿𝛿+) sahiptir.

Source: canva.com

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

1.Hidrojen Bağı

Bu durum molekülün polar yani kutuplu olmasına yol açar. Polar moleküldeki kısmen artı yüklü (𝛿𝛿+) hidrojen atomu ile komşu moleküldeki kısmen eksi yüklü (𝛿𝛿-) atom arasında elektrostatik bir çekim kuvveti ortaya çıkar.

Source: canva.com

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

1.Hidrojen Bağı

Bu etkileşim hidrojen bağı olarak isimlendirilir.Hidrojen bağlarının canlı yaşamın devam edebilmesinde birçok rolü vardır.

• Örneğin hidrojen bağları iki DNA zincirinin birbirine tutunmasını sağlar. Suyun ilginç ve kendine özgü birçok özelliğinin temelinde hidrojen bağı yer alır.
• Örneğin kaynama noktasının yüksek olması, donarken genleşmesi, ısı kapasitesinin -yani sıcaklığını 1 oC yükseltmek için gerekli olan ısı miktarının- yüksek olmasının nedeni suyun hidrojen bağı oluşturabilmesidir.

Source: Shutterstock.com

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

1.Hidrojen Bağı

Hidrojen bağları olmasaydı, su oda sıcaklığında sıvı yerine gaz olurdu. Ayrıca hidrojen bağı, suyun yüzey geriliminin yüksek olmasına neden olur.

Source: Shutterstock.com

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

2. Van der Waals Kuvvetleri

Van der Waals kuvvetleri, moleküllerin birbirine yapışmasını ve bir arada kalmasını sağlar. Bu kuvvetler, özellikle gazlar ve sıvılar gibi maddelerin faz değişimlerinde ve moleküler yüzeylerin etkileşimlerinde rol oynar. Kısacası, Van der Waals kuvvetleri moleküller arası çekim ve itme etkileşimlerinin genel adıdır ve maddelerin yapı ve davranışlarını anlamada önemli bir rol oynar.

ZAYIF ETKİLEŞİMLER

2. Van der Waals Kuvvetleri

Van der Waals kuvvetlerinin farklı türleri vardır:

• polar bir molekül ile başka bir polar molekül arasında (Dipoldipol etkileşimleri),
• polar bir molekül ile apolar (yani polar olmayan) bir molekül arasında (Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri),
• Elektron dağılımı sonucu anlık oluşan kısmi negatif ve kısmi pozitif yüklü moleküller arasında (London kuvvetleri),

Source: Shutterstock.com

ÖĞRENDİKLERİMİZİ YAPILANDIRALIM:

Bu etkinlikte gündelik hayatta sıklıkla karşılaştığımız kaynama olayını moleküler düzeyde ele alarak güçlü ve zayıf etkileşimlerin kaynama üzerindeki etkisini tartışacağız. Kaynama bir sıvının buhar basıncının atmosfer basıncına eşit olmasıyla sıvı halden hızlıca gaz hale geçmesidir. Bu olay buharlaşmada olduğu gibi sadece sıvının yüzeyinde değil, sıvının her yerinde gerçekleştiğinden kaynama sırasında sıvıda kabarcıklar oluştuğu gözlemlenir. Bununla birlikte sıvıların sabit basınç altında kaynamaya başladığı sıcaklık değeri, yani kaynama noktası, sıvının cinsine göre değişir.

Diğer bir ifadeyle kaynama noktası sıvılar için ayırt edici bir özelliktir. Peki, ama neden? Sıvının cinsi değişince ne değişiyor da kaynama noktası değişiyor? Bunu anlamak sıvı moleküllerine yakından bakmamız gerek. Kaynama noktası, moleküller arası etkileşimlerin gücüne bağlıdır. Moleküller arası çekim kuvveti ne kadar güçlü olursa, kaynama noktası da o kadar yüksek olur. Dolayısıyla sıvının cinsi değiştiğinde sıvının moleküller arası çekim kuvveti de değiştiğinden kaynama noktası değişir. Peki moleküller arası çekim kuvveti sizce nelere bağlıdır? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..........

Sonraki soruları aşağıdaki tabloya göre yanıtlayınız.

Etil alkol ve suyu kıyasladığımızda her iki bileşikte molekülleri arasında hidrojen bağlarının bulunduğu görülmektedir. Etil alkol ve suyun kaynama noktalarının farklı olmasının sebebi sizce nedir? .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... Etil alkol ve metil alkolün kayna noktalarının farklı olmasının sebebi sizce nedir? ..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Etil alkol ve metil alkolün kayna noktalarının farklı olmasının sebebi sizce nedir? “Metil alkol molekülleri arasındaki zayıf etkileşimin türü ile etil alkol molekülleri arasındaki zayıf etkileşimin türü aynıdır. Her iki kimyasalda moleküller arasında hidrojen bağları bulunur. Metil alkol moleküllerinin birbirleriyle yaptıkları bağ sayısıyla etil alkol moleküllerinin birbirleriyle yaptıkları bağ sayısı da aynıdır. Buna karşılık bu iki kimyasalın kaynama noktaları farklıdır. Bunun sebebi bu kimyasalları oluşturan molekül içi bağların sayısının farklı olmasıdır. Hem etil alkol hem de metil alkolde molekül içindeki atomlar birbirine kovalent bağlarla bağlıdır. Ancak bileşiklerin formülleri incelendiğinde molekülü oluşturan atom sayılarının farklı olduğu görülmektedir.

Bu molekül içindeki bağ sayısının farklı olduğunu gösterir. Atom sayısı fazla olan moleküllerde bağ sayısı (dolayısıyla güçlü etkileşim miktarı) fazla olduğundan kaynama noktası yüksektir.

Ortaya atılan bu argümanın yanlış olduğu bilinmektedir. Bu argümanın neden yanlış olduğunu tespit ediniz. ........................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Bu argümanın yanlış olduğu bilindiğine göre sizce etil alkol ve metil alkolün kaynama noktaları arasındaki farklılığın sebebi nedir? ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................