Polarite

Açılış sahnesi

Cuma, öğle arasından yeni dönülmüş. Çorum'daki hastanenin laboratuvarında kromatografi odası koridorun en sonunda, penceresiz ve serin. Tezgâhta bir sıra cam tüp duruyor; her birinde serumun üstüne berrak, kokulu bir çözücü eklenmiş. Tüpler çalkalayıcıdan çıkıp santrifüje giriyor, döndüklerinde içlerinde keskin bir çizgi beliriyor. Güllizar Hanım D vitamini çalışmasının ön hazırlığını kontrol ediyor, Yaren stajının son gününde bu odayı ilk kez görüyor.

Yaren bir tüpü ışığa tutuyor. "Üstte bir katman, altta bir katman. Çalkaladık, yine ayrıldılar. Vitamin de üstteki çözücüye geçiyormuş, kâğıtta öyle yazıyor. Az önce C vitamini tüpünü hazırlayan arkadaş hiçbir çözücü eklemedi, doğrudan sulu bir karışıma aldı." Güllizar Hanım üst katmanı pipetle çekerken bir cümleyle karşılık veriyor: "Suyun bir ucu eksi, bir ucu artı. Bu çözücünün öyle uçları yok. Vitaminlerin hangisinin hangi uca benzediğine bak".

Bu derste ne olacak

Ortak bir elektron çiftinin iki atom arasında nasıl kayabildiğini ve bu kaymanın atomlara nasıl kısmi yükler bıraktığını göreceksin. Bağın ve molekülün ne kadar kutuplu olduğunu dipol momentiyle ölçecek, suyun neden kutuplu, karbon dioksitin neden kutupsuz olduğunu vektörlerle hesaplayacaksın. Son olarak bir molekülün yapısından hangi ortamda çözüneceğini okuyacaksın.

Metin

Çift kaydığında

Kovalent Bağ dersinde (L02-P06-M02-D02) klor molekülünde paylaşılan çifti çekirdeklerin orta noktasına yerleştirmiştik. Aynı iki atom aynı güçle çektiği için bu çizim doğruydu. Hidrojen ile oksijen bir çifti paylaştığında durum değişir: Periyodik Eğilimler dersinde (L02-P06-M01-D05) tanımladığımız elektronegatiflik oksijende 3,44, hidrojende 2,20'dir. Oksijen ortak çifti kendi tarafına daha çok çeker.

Farkı çıkarmak ilk ölçüyü verir. O–H bağında 3,44 − 2,20 = 1,24 bulunur. Karbon ile hidrojen arasında bu fark 2,55 − 2,20 = 0,35'tir, karbon ile oksijen arasında 0,89. Sodyum ile klor arasında 3,16 − 0,93 = 2,23'e çıkar; İyonik Bağ dersinde tuz kristalini kuran elektron alışverişi bu uçtaydı.

Aynı atomların bağı ile tuz arasında keskin bir sınır yoktur; ortak çift, farka göre giderek daha çok bir yana kayar. Ders kitapları bu sürekliliği sınıflara bölmek için eşikler kullanır. Birinde 0,4'ün altı apolar, 0,4 ile 1,8 arası polar kovalent, 1,8'in üstü iyonik sayılır; başka kitaplar 1,7 ya da 2,0 yazar. Bunlar gözlemden türetilmiş doğa sabitleri değil, öğretim için konmuş uzlaşmalardır. Hidrojen florürde fark 3,98 − 2,20 = 1,78'dir ve eşiklerin bazısına göre bağ iyonik sayılmalıdır, oysa hidrojen florür tuz gibi bir iyon örgüsü kurmaz, ayrı moleküllerden oluşur. OpenStax'in genel kimya kitabı da aynı örneği kuralın istisnası olarak verir.

Kısmi yük

Çift oksijen tarafına kaydığında oksijenin çevresindeki elektron yoğunluğu çekirdeğinin pozitif yükünü tam dengelemenin biraz ötesine geçer; hidrojenin çevresinde ise biraz eksik kalır. Hiçbir elektron el değiştirmemiştir, bu yüzden yükler tam birim değildir.

Suda oksijen δ−, iki hidrojen δ+ taşır. Kısmi yükün büyüklüğünü doğrudan ölçen bir alet yoktur; ölçülebilen, yüklerin ayrılmasının molekülün dışında yarattığı elektrik alanıdır.

Dipol momenti ve birimi

Eşit büyüklükte, zıt işaretli iki yük bir uzaklıkla ayrıldığında bir elektrik dipolü oluşur. Büyüklüğü yükün uzaklıkla çarpımıdır, yönü de vardır: eksi uçtan artı uca ya da tersine çizilen bir ok. Kimya kitapları oku çoğunlukla δ− uca doğru çizer; fizik kitaplarındaki uzlaşma terstir. Seçim sonucu değiştirmez; bir çizimde tek uzlaşmaya uymak yeter.

Peter Debye kutuplu molekülleri dielektrik ölçümlerle inceleyen çalışmalarını 1929'da "Polar Molecules" adlı kitapta topladı (New York, Chemical Catalog Company). Onun adını taşıyan birim bugün tam bir tanımla verilir: 1 D = 10⁻²¹ ÷ c C·m, yani ışık hızının sayısal değeriyle bölündüğünde yaklaşık 3,33564 × 10⁻³⁰ C·m.

Birimin boyunu sezmek için bir hesap yeterli. Tek bir temel yük (1,602 × 10⁻¹⁹ C) 100 pm uzaklıkta durursa çarpım 1,602 × 10⁻²⁹ C·m eder. Bunu debye'ye çevirmek için 1,602 × 10⁻²⁹ ÷ 3,33564 × 10⁻³⁰ ≈ 4,80 D buluruz. Küçük moleküllerin ölçülen dipol momentleri bu sayının çoğunlukla altında kalır; aradaki açık, kısmi yüklerin tam birim olmadığını gösterir.

Ölçülen dipolden kısmi yüke

Hidrojen florür tek bağlı olduğu için hesaba en uygun moleküldür. NIST'in veri tabanında dipol momenti 1,827 D, bağ uzunluğu 91,7 pm; LibreTexts'teki tablo 1,82 D ve 92 pm verir. Bağ tamamen iyonik olsaydı, yani hidrojen bir elektronunu bütünüyle flora bıraksaydı, dipol 4,80 × 0,917 ≈ 4,40 D olurdu.

Ölçülen değeri bu tam iyonik değere bölmek, atomlar üzerindeki yükün temel yükün ne kadarı olduğunu tahmin eder: 1,83 ÷ 4,40 ≈ 0,42. İkinci kaynağın sayılarıyla 1,82 ÷ 4,42 ≈ 0,41 çıkar. Florun üzerinde temel yükün aşağı yukarı onda dördü kadar bir eksi, hidrojenin üzerinde aynı büyüklükte bir artı vardır.

Hidrojen klorür aynı hesapla başka bir yerde durur. Bağ 127,5 pm, ölçülen dipol 1,09 D dolayındadır (iki kaynak 1,08 ile 1,09 arasında). Tam iyonik dipol 4,80 × 1,275 ≈ 6,12 D ve 1,09 ÷ 6,12 ≈ 0,18 bulunur. Elektronegatiflik farkı 3,16 − 2,20 = 0,96'ya düştüğünde kısmi yük de yarının altına iner.

Bu oran bir tahmin olarak okunmalıdır. Hesap yükleri çekirdeklerin üzerinde nokta gibi varsayar; oysa elektron bulutu bir biçime sahiptir ve ortaklanmamış çiftler de dipole katkı verir. Farklı kuramsal yöntemler aynı molekül için farklı kısmi yükler hesaplar. Sağlam olan sıralamadır: hidrojen florür hidrojen klorürden belirgin biçimde daha kutupludur.

Oklar toplandığında

Çok atomlu bir molekülün dipol momenti bağ dipollerinin vektör toplamıdır; büyüklükleri kadar yönleri de sonucu belirler.

Karbon dioksitte karbon ile oksijen arasındaki elektronegatiflik farkı 0,89'dur ve iki C=O bağının her biri polardır. Molekül ise doğrusaldır: iki oksijen karbonun iki yanında tam karşı karşıya durur. Eşit büyüklükte iki ok 180° zıt yönlere baktığı için toplamları sıfırdır. NIST'in veri tabanı karbon dioksitin dipol momentini 0,000 D olarak verir.

Suda tablo değişir. Önceki derste açıyı 104,48° olarak bulmuştuk; molekül bükük olduğu için iki O–H oku zıt yönlere bakmaz. Açıyı ikiye bölen doğru boyunca bileşenleri toplanır, yana doğru bileşenleri birbirini götürür. Suyun ölçülen dipol momenti CRC el kitabında 1,8546 D, NIST'in veri tabanında 1,855 D'dir.

Bu ölçümden geriye gidip tek bir O–H bağ dipolünü bulabiliriz. Yarım açı 52,24°'dir ve kosinüsü yaklaşık 0,612'dir. Toplam, iki bağ dipolünün bu doğru üzerindeki izdüşümlerinin toplamı olduğuna göre bağ dipolü 1,855 ÷ (2 × 0,612) = 1,855 ÷ 1,225 ≈ 1,51 D çıkar. Bulunan sayı yalnız bağın değil, oksijenin ortaklanmamış çiftlerinin de payını içeren etkin bir değerdir. Aynı bağlar doğrusal dizilseydi toplam sıfır olurdu.

Benzer benzeri çözer

Polar bir molekül öteki polar moleküllerin ve iyonların yanında enerji bakımından rahat eder; δ− ucu komşunun δ+ ucuna, katyon suyun oksijen ucuna döner. Apolar moleküller böyle bir çekim sunmaz. Kimyacıların kısa özeti "benzer benzeri çözer" diye bilinir. Bir kural değil, bir eğilimdir. Bu eğilimin ardındaki kuvvetleri modülün sonraki dersleri tek tek açacak: hidrojen bağı, dipol–dipol çekimi ile London kuvvetleri ve suyun apolar molekülleri dışlamasına verilen hidrofobik etki adı.

Yaren'in tüpündeki iki katman bu eğilimin görünür hâlidir. Heksan gibi apolar bir çözücü yalnız karbon ve hidrojenden oluşur; C–H farkı 0,35'tir ve zincir boyunca bağ dipolleri birbirini büyük ölçüde götürür. Su ise kutupludur. İkisi çalkalandığında karışmaz, yoğunluğu küçük olan çözücü üste çıkar.

Vitaminlerin yapısı hangi katmana gideceklerini söyler. PubChem'e göre C vitamininin kapalı formülü C₆H₈O₆'dır: altı karbona altı oksijen düşer ve moleküldeki dört hidroksil grubunun her birinde polar bir O–H bağı vardır. D₃ vitamininin formülü C₂₇H₄₄O'dur: yirmi yedi karbonlu, halkalar ve zincirden oluşan bir iskelete tek bir hidroksil takılıdır. Karbon başına oksijen sayısı ilk molekülde 6 ÷ 6 = 1, ikincisinde 1 ÷ 27 ≈ 0,037'dir. Laboratuvarın kanda ölçtüğü D vitamini biçimi bir hidroksil daha taşır, ama karbon iskeleti yine baskın kalır ve molekül apolar çözücüyü seçer.

Vücutta aynı ayrım başka biçimlerde görünür. Suda çözünen vitaminler kan plazmasının sulu ortamında kendi başına dolaşabilir. Yağda çözünen vitaminler bağırsakta diyet yağlarıyla birlikte emilir ve kanda taşıyıcı proteinlere bağlanarak yol alır; D vitamininin kendine özgü bir taşıyıcı proteini vardır. Hücre zarının iç kısmını oluşturan uzun karbon zincirleri de apolardır, bu yüzden suda iyi çözünen molekül zarı kendi başına kolayca geçemez. Bu satırlar yalnız çözünürlüğün molekül yapısından geldiğini gösteriyor; hangi vitaminin ne kadar alınacağı bu dersin sorusu değildir.

Tüplerin başına dönüş

Üst katmanlar ayrı tüplere alınmış, azot akımı altında kurutulmaya hazırlanıyor. Yaren not defterine iki çizim yapıyor: düz bir çizgi üzerinde birbirine sırt dönmüş iki ok ve bükük bir V'nin kollarında aynı iki ok, ortada aşağı doğru bir toplam.

Altına bir satır ekliyor: ölçülen dipol momenti ölçülen şeydir, kısmi yük ondan çıkarılan tahmindir. Güllizar Hanım cumartesi nöbetinin anahtarını masaya bırakırken bir soruyu pazartesiye saklamasını istiyor: su kendi kendini neden bu kadar sıkı tutuyor ki heksanla karışmıyor?

Kendini sına

1. Amonyakta azot ile hidrojen arasındaki elektronegatiflik farkını hesapla (N 3,04). Bağ hangi sınıfa girer ve bu sınıflama neden uzlaşımsaldır?
2. Hidrojen klorürde bağ uzunluğunu 127,5 pm, dipol momentini 1,09 D alarak kısmi iyonik karakteri yeniden hesapla. Uzunluk 120 pm olsaydı sonuç nasıl değişirdi?
3. Bor triflorür düzlemsel bir üçgendir ve üç B–F bağı arasındaki açılar 120°'dir. Molekülün dipol momenti hakkında ne söyleyebilirsin?
4. Su molekülü doğrusal olsaydı ölçülen dipol momenti ne olurdu? Açı 90° olsaydı, bağ dipolünü 1,51 D alarak toplamı hesapla.
5. İki vitaminin formüllerine bakarak hangisinin hücre zarının apolar iç kısmından daha kolay geçeceğini tahmin et ve gerekçeni bağ polaritesiyle kur.

Bir sonraki derse köprü

Bu derste suyun hidrojenlerinde kısmi artı, oksijeninde kısmi eksi ve iki ortaklanmamış çift bulduk. Hidrojen Bağı dersi bu parçaları iki molekül arasında birleştirecek. Oksijen, azot ya da flora bağlı bir hidrojenin δ+ ucu komşu bir molekülün ortaklanmamış çiftine yaklaştığında nasıl bir çekim doğar? Hidrojeni sunan verici ile çifti sunan alıcı nasıl ayırt edilir, ve bu çekim kovalent bağdan kaç kat zayıf olduğu hâlde suyu neden bir arada tutar?