İyonlar

Açılış sahnesi

Çarşamba akşamı, yediyi yirmi geçiyor. Ceren bu kez acil servisin gözlem nöbetinde; laboratuvarın o eski sabah sessizliği yok, sedye tekerlekleri ve monitör sesleri var. Resüsitasyon odasının yanındaki kan gazı cihazına bir tüp daha verilirken Cihangir Bey de orada: acildeki cihazların kalite kontrolü onun biriminin işi, akşam kontrolünü kendisi çalıştırıyor. Cihaz dar bir kâğıt şerit basıyor.

Ceren şeridin alt yarısına bakıyor. Elektrolitlerin yazıldığı satırlarda her simgenin sağ üstünde küçük bir işaret var: sodyumla potasyumda tek artı, kalsiyumda iki artı, klorda bir eksi. "Hocam, pazartesi bankodaki tabloda bu işaretler yoktu. Cihaz neden atomları değil de bunları yazıyor? Kalsiyum niye iki artı da sodyum bir?" Cihangir Bey şeridi koparıp kontrol defterine iliştiriyor. "Çünkü kanda yüksüz sodyum atomu yok. Bu cihazın elektrotları yük taşıyan tanecikleri algılıyor. O artıların sayısı rastgele değil; magnezyumun iyonlaşma merdivenini hatırlıyorsan yarısını zaten biliyorsun".

Bu derste ne olacak

Yükü olan bir atomun adını ve iki türünü öğreneceksin. Bir elementin hangi yükü taşıyacağını iyonlaşma basamaklarından okuyacak, geçiş metallerinde hangi elektronun önce ayrıldığını dizilimle göstereceksin. İyonun boyutunu atomunkiyle ve kendi içinde, çevresindeki komşu sayısına göre karşılaştıracaksın. Son olarak aynı elektron sayısını paylaşan iyonlarda boyutu neyin belirlediğini hesaplayıp vücuttaki iyon çiftlerine bu gözle bakacaksın.

Metin

Atomdan iyona

Periyodik Eğilimler dersinde (L02-P06-M01-D05) atomları hep yüksüz tutmuştuk ve bir elektronu koparmanın bedelini ölçüp orada kalmıştık. Elektron gerçekten gittiğinde geride kalan tanecik artık yüksüz değildir.

Yükü hangi basamak belirler?

Magnezyumun merdiveni bir önceki derste açık bir işaret vermişti: üçüncü iyonlaşma enerjisi ikincinin 5,33 katıydı, çünkü üçüncü elektron artık kapanmış iç kabuktan geliyordu. Aynı kırılma her ana grup metalinde, dış elektronlar bittiği yerde görülür. Potasyumda birinci iyonlaşma enerjisi 4,341 eV, ikincisi 31,625 eV'tur; 31,625 ÷ 4,341 ≈ 7,29 kat. İkinci elektron argonun kapalı 3p kabuğundan koparılmak zorundadır. Kalsiyum aynı uçurumu bir basamak sonra yaşar: 50,91 ÷ 11,87 ≈ 4,29.

Bu sıçramalar iyonun yükünün üst sınırını çizer, ama tek başına Mg²⁺'nın neden Mg⁺'dan yaygın olduğunu açıklamaz. İkinci elektron da enerji harcatır. O bedel iyonun çevresinden geri alınır: suda her iyonun çevresinde yönelmiş su molekülleri dizilir, bir kristalde ise zıt yüklü komşular yerleşir. İki yüklü küçük bir katyon bu çekimlerden tek yüklüden çok daha fazla kazanır ve ikinci elektronun bedeli böylece fazlasıyla ödenir. Üçüncü elektron için ise hiçbir çevre 80 eV'u karşılayacak kadar çekim sağlamaz. Kristaldeki bu kazancın adı ve hesabı Kimyasal Bağlar modülündeki İyonik Bağ dersine kalacak.

Anyon tarafında hesap ters yönden kurulur. Yüksüz bir atom bir elektron aldığında enerji salabilir.

Klorun elektron ilgisi ölçümlerde 3,61 eV'tur. Sodyumdan ilk elektronu koparmanın 5,139 eV'luk bedeli hatırlanırsa, gaz hâlinde bir sodyum atomundan elektronu alıp bir klor atomuna vermek hâlâ yaklaşık 1,53 eV harcatır. Tek başına elektron alışverişi kendiliğinden yürümez; iki iyonun birbirini çekmesi olmadan sofra tuzu oluşmazdı. Oksijende durum daha keskindir. Birinci elektronu almak enerji salar, ama zaten eksi yüklü O⁻'ya ikinci elektronu itmek enerji ister. O²⁻ gaz hâlinde kendi başına dağılır; yalnız bir kristalin ya da molekülün içinde, zıt yüklü komşular onu tuttuğunda vardır.

Geçiş metallerinde önce giden elektron

Elektron Orbitalleri dersinde çinkoyu [Ar] 3d¹⁰ 4s² diye yazmış, 4s'in 3d'den önce dolduğunu görmüştük. İyonlaşmada sıra tersine döner: önce 4s elektronları gider. NIST'in iyon tablosu Zn²⁺ için [Ar] 3d¹⁰ verir; d kabuğu olduğu gibi kalmış, iki 4s elektronu gitmiştir. Bakırda Cu⁺ yine [Ar] 3d¹⁰ olur; tek 4s elektronu gitmiştir. Cu²⁺ ise [Ar] 3d⁹ olur ve ikinci elektron artık d kabuğundan kopar. Demir [Ar] 3d⁶ 4s²'den Fe²⁺'da [Ar] 3d⁶'ya, Fe³⁺'da [Ar] 3d⁵'e iner.

Çelişki gibi görünen bu durumu önceki derste bir cümleyle hazırlamıştık: dolu çinko atomunda bile 3d basamağı 4s'ten derindedir. Dolma sırası, tablo boyunca her yeni elektronun hangi alt kabuğa girdiğini anlatır. Artı yüklü bir iyonda ise çekirdeğin çekimi daha az elektrona paylaşılır ve 3d basamağı 4s'e göre daha da aşağı iner; iyonda en gevşek tutulan elektronlar 4s'tekilerdir.

Basamak oranları da bu metallerin davranışını ayırır. Çinkoda üçüncü iyonlaşma enerjisi 39,72 eV, ikincisi 17,96 eV'tur ve 39,72 ÷ 17,96 ≈ 2,21 eder; üçüncü elektron dolu 3d¹⁰ kabuğunu bozmak zorundadır ve biyolojide Zn³⁺ görülmez. Demirde aynı oran 30,65 ÷ 16,20 ≈ 1,89'dur. Sıçrama küçüktür, çünkü Fe²⁺'dan giden elektron dolu bir kabuğu bozmaz: altı d elektronu içinde orbitalini bir eşle paylaşan elektrondur ve o gidince her d orbitalinde birer elektron, yani yarı dolu 3d⁵ kalır. Bu yüzden demir vücutta Fe²⁺ ile Fe³⁺ arasında gidip gelir. Hemoglobindeki demir oksijeni Fe²⁺ hâlinde bağlar; Fe³⁺'a dönmüş hemoglobin, methemoglobin, oksijen taşımaz. Bakırın Cu⁺ ile Cu²⁺ arasındaki gidiş gelişi de aynı türden bir çifttir. Bir çiftin hangi yöne ne kadar istekle kaydığını redoks potansiyeli ölçer ve onu Redoks Kimyası modülü sayılarla açacak.

İyonun boyutu

İyon, tek başına yarıçapı ölçülebilecek bir nesne değildir. Robert Shannon 1976'da Acta Crystallographica A'nın 32. cildinde (sayfa 751–767) oksit ve halojenür kristallerinde ölçülen çok sayıda katyon–anyon uzaklığını derledi. Uzaklığı iki iyona paylaştırmak için oksit iyonuna altı komşulu hâlde 140 pm verip gerisini buna göre dağıttı.

Shannon'ın tablosunda iki sütun vardır ve bu sütunlar birbirinden 14 pm farklıdır. Katyonların kristal yarıçapı, etkin iyon yarıçapından 14 pm büyük; anyonlarınki 14 pm küçüktür. Aşağıda yalnız etkin iyon yarıçapları kullanılıyor, çünkü önceki dersin kuralı burada da geçerli: iki yarıçap ancak aynı tanım içinde karşılaştırılır.

Koordinasyon sayısı küçük bir düzeltme değildir. Na⁺ dört komşuyla 99 pm, altı komşuyla 102 pm, sekiz komşuyla 118 pm yarıçap alır; 118 ÷ 99 ≈ 1,19. Zn²⁺ dört komşulu dört yüzlü bir cepte 60 pm, altı komşulu bir düzende 74 pm'dir ve 74 ÷ 60 ≈ 1,23. Bir proteindeki çinkonun boyutu, onu tutan amino asit sayısıyla birlikte okunmalıdır.

Katyonun atomundan neden küçük, anyonun neden büyük çıktığını aynı sayılar gösterir; tanım farkı yüzünden oranlar kaba okunmalıdır. Sodyumun Cordero kovalent yarıçapı 166 pm, altı komşulu Na⁺'nın etkin yarıçapı 102 pm'dir ve 102 ÷ 166 ≈ 0,61 eder. Kayıp yalnız bir elektron değildir; 3s kabuğunun tamamı gitmiş, iyonun dışı artık neonun kapalı ikinci kabuğudur. Klorda ters yönde 181 ÷ 102 ≈ 1,77 kat büyüme görülür. Çekirdekte yine on yedi proton vardır, ama on sekiz elektronu çekmek zorundadır ve eklenen elektronun getirdiği itme bulutu dışa doğru şişirir. Tanım farkı bu kadar büyük bir oranı açıklamaya yetmez.

Aynı elektron sayısı, farklı çekirdek

O²⁻, F⁻, Na⁺ ve Mg²⁺ çok farklı elementlerdir, ama dördünün de on elektronu vardır ve dördü de neonun dizilimini taşır.

Altı komşulu değerlerle seri O²⁻ 140, F⁻ 133, Na⁺ 102, Mg²⁺ 72 pm diye küçülür. Aynı on elektronu sekiz proton tutarken en büyük, on iki proton tutarken en küçük hâlini alır: 140 ÷ 72 ≈ 1,94. Dört protonluk fark, aynı bulutu neredeyse yarı çapa sıkıştırır.

Yük ile boyut birlikte, iyonun çevresindeki suyu ve komşuları ne kadar güçlü çektiğini belirler. Kaba bir ölçü olarak yükü ångström cinsinden yarıçapa bölebiliriz (1 Å = 100 pm). Mg²⁺ için 2 ÷ 0,72 ≈ 2,78, Ca²⁺ için 2 ÷ 1,00 = 2,00 bulunur; magnezyumun yük yoğunluğu kalsiyumunkinin 2,78 ÷ 2,00 ≈ 1,39 katıdır. Tek yüklülerde değerler düşer: Na⁺ için 1 ÷ 1,02 ≈ 0,98, K⁺ için 1 ÷ 1,38 ≈ 0,72.

Vücutta yük ve boyut

Hücre dışı sıvıda sodyum, hücre içinde potasyum baskın katyondur ve bu farkı hücre zarındaki Na⁺/K⁺ pompası enerji harcayarak korur. Potasyum kanalının seçici süzgecinin potasyumu boyutla seçtiğini önceki derste nitel olarak görmüştük; şimdi o boyut bir sayıdır. Altı komşulu K⁺ 138, Na⁺ 102 pm'dir ve 138 ÷ 102 ≈ 1,35 eder. Sodyum daha küçük olduğu için yük yoğunluğu daha büyüktür ve suyunu daha sıkı tutar. Süzgeç, suyunu bırakan potasyumu kendi oksijenleriyle tam sarar; sodyumu o kadar yakından saramadığı için sodyumun suyunu bırakmasının bedeli karşılanmaz.

Kalsiyumun sinyal taşıyıcı olması da yük ve boyutun bir sonucudur. Hücre içindeki serbest Ca²⁺ pompalarla hücre dışındakinin çok altında tutulur; bir kanalın kısa süre açılması bu yüzden büyük bir göreli sıçrama yaratır ve kas kasılmasından sinir ucunda nörotransmiter salınımına kadar pek çok olayı tetikler. Mg²⁺ daha yüksek yük yoğunluğuyla su kabuğunu sıkı tutar ve o kabuğu yavaş değiştirir; genellikle altı komşulu düzenli bir kabuk ister ve kalsiyuma göre biçimlenmiş, daha çok komşulu esnek ceplere kolay uymaz.

Kadmiyuma son bir kez bu açıdan bakmak işe yarar. İyon hâlinde çinkoyla oranı dört komşuda 78 ÷ 60 = 1,30, altı komşuda 95 ÷ 74 ≈ 1,28'dir; kovalent yarıçaplardaki 1,18'lik farktan belirgin biçimde büyüktür. Altı komşulu Cd²⁺ ise 95 pm ile 100 pm'lik Ca²⁺'ya çok yakındır. Kadmiyumun zararı bu yüzden tek bir kapıdan girmez: kükürtlü çinko ceplerinin yanında kalsiyum bağlayan yerlere de uyabilir. Elektrofizyoloji laboratuvarlarında kadmiyum iyonunun voltaj kapılı kalsiyum kanallarını tıkamak için kullanılması bu benzerliğin deneysel yüzüdür.

Şeride dönüş

Ceren defterdeki şeride eğiliyor. Satırlardaki işaretler artık birer süs değil, bir sayım: kalsiyumda iki dış elektron gitmiş, klorda bir elektron fazla, sodyumda neonun kabuğu açıkta.

Cihangir Bey kontrol satırını imzalarken cihazın içini gösteriyor: her elektrodun ucunda yalnız bir iyonu geçiren seçici bir zar var. Hücre zarındaki kanallar gibi o zar da iyonu yükünden ve boyutundan tanıyor; şeritteki artıların ve eksilerin sayısı, hangi kapıdan geçileceğini baştan söylüyor.

Kendini sına

1. Magnezyum iyonunda kaç elektron vardır? Mg²⁺ hangi soy gazla izoelektroniktir?
2. Kalsiyumun ikinci ve üçüncü iyonlaşma enerjileri 11,87 ve 50,91 eV. Oranı hesapla ve biyolojide neden Ca³⁺ görülmediğini açıkla.
3. Fe³⁺'ın elektron dizilimini yaz. Demir atomundan hangi elektronlar, hangi sırayla ayrılmıştır?
4. Altı komşulu F⁻ 133 pm, Na⁺ 102 pm. İkisi aynı elektron sayısını taşıdığına göre farkı neyle açıklarsın? Oranı hesapla.
5. Na⁺ ve K⁺ için yükü ångström cinsinden yarıçapa böl. Hangisinin su kabuğunu daha sıkı tutmasını beklersin?

Bir sonraki derse köprü

Bu derste yalnız elektronların sayısını değiştirdik; her iyonun çekirdeği atomunun çekirdeğiyle aynı kaldı. Radyoizotopların Tıbbi Kullanımı dersi çekirdeğin kendisinin değiştiği tarafa geçecek: kararsız bir izotop hangi bozunmayla başka bir çekirdeğe dönüşür, yarı ömrü tanı ya da tedavi için hangi radyoizotopun seçileceğini nasıl belirler, ve tiroid radyoaktif iyodür iyonunu sıradan iyodürden neden ayırt edemez?