Kimyasal Bağlar Quizi

Açılış

Salı, saat beşi beş geçiyor. Çorum'daki hastanede, laboratuvar koridorunun sonundaki toplantı odasında gün sonu kalite toplantısı yeni dağıldı; masada imzalı kontrol çizelgeleri ve yarısı silinmiş bir beyaz tahta kaldı. Turgut Bey montunu giymiş, kapıda duraksıyor: "Bir haftada altı çeşit yapıştırıcı konuştuk, hocam. Tuz, azot, su, zeytinyağı, krema, jel; kafamda birbirine girdi".

Güllizar Hanım tahtayı silip altı satır çiziyor: iyonik bağ, kovalent bağ, polar kovalent bağ, hidrojen bağı, van der Waals etkileşimleri, hidrofobik etki. Üstüne dört sütun başlığı yazıyor: enerji, yön, su, yer. "Hücreleri ben doldurmayacağım. Her birine bir hesapla ya da bir gerekçeyle sen gireceksin". Sütunların altına sorular sıralanıyor; aşağıda onları sütun sütun bulacaksın ve her birinde kendi hücreni yazmadan cevaba geçmemelisin.

Bölüm 1 — Enerji sütunu: ne kadar sıkı tutuyor?

1. Sodyum klorürün kafes enerjisi doğrudan ölçülemez. Mol başına kilojoule cinsinden yarım mol klor molekülünü ayırmak 121,3, sodyumu iyonlaştırmak 495,8, sodyumu atomlaştırmak 107,5 ister; klorun elektron ilgisi 348,6, elementlerden katı tuzun oluşumu 411,1 açığa çıkarır. Kafes enerjisini bul ve onu döngünün içinde saklı duran klor–klor bağıyla kıyasla.

Cevap: Enerji korunduğu için katıyı iyonlarına ayırmanın bedeli öteki yolun toplamına eşittir: 495,8 + 411,1 + 121,3 + 107,5 − 348,6 ≈ 787 kJ/mol. Klor–klor bağı yarım molün iki katıdır, 2 × 121,3 = 242,6 kJ/mol, ve 787 ÷ 242,6 ≈ 3,24 bulunur. Bu kat "iyonik bağ üç kat güçlü" demek değildir. Kafeste yüklü iyonlar ayrılır ve sayı örgüdeki bütün komşulukları içerir; klor molekülünde tek bir çift iki nötr atoma bölünür. Karbonun 837 kJ/mol'lük üçlü bağı tuzu geçtiğine göre tek sayılık bir güç sıralaması kurulamaz.

2. Magnezyum oksit de kaya tuzu düzenindedir, Madelung katsayısı aynıdır. Altı komşulu yarıçaplar Na⁺ 102, Cl⁻ 181, Mg²⁺ 72, O²⁻ 140, Ca²⁺ 100 pm. Yük çarpımını iyon merkezleri arası uzaklığa bölerek MgO'nun kafes enerjisini NaCl'ye göre tahmin et, ölçülen 3795 ve 787 kJ/mol ile kıyasla, kalsiyum oksidin nereye düşeceğini söyle.

Cevap: NaCl için 1 × 1 ÷ 283 ≈ 0,00353, MgO'da 2 × 2 ÷ 212 ≈ 0,0189 ve oran yaklaşık 5,34. Katın dördü yüklerden, kalanı iyonların 283 ÷ 212 ≈ 1,33 oranında yakın durmasından gelir. Ölçüm 3795 ÷ 787 ≈ 4,82 ile tahminin altında kalır; sıkı neon kabuklarının itmesi büyüktür ve biçim değiştiren oksit bulutu nokta yük gibi davranmaz. Kalsiyum oksitte 2 × 2 ÷ 240 ≈ 0,0167 bulunur: magnezyum oksidin altında, sodyum klorürün yaklaşık 4,7 katı. İdrardaki kalsiyum oksalatta yük çarpımı 4, kemikteki apatitte 6'dır ve bu kristallerde örgü suyla yarışı çoğu zaman kazanır.

3. Bir öğrencinin defterinde "C≡C, C–C'nin üç misli sağlamdır; N≡N de N–N'nin" diye bir satır var. Tablo değerleri C–C 345, C=C 611, C≡C 837, N–N 160, N≡N 946 kJ/mol. Cümleyi düzelt, sonra 21 kJ/mol'lük su–su hidrojen bağını 461,5 kJ'lük ortalama O–H bağıyla kıyasla.

Cevap: Karbonda 837 ÷ 345 ≈ 2,43; üç kat 1035 olurdu. Üçüncü çift 837 − 611 = 226 kJ ekler, tekli bağdan az, çünkü eksenin yanlarında daha zayıf örtüşür. Azotta sapma öbür yöne gider, 946 ÷ 160 ≈ 5,9; tekli N–N bağını komşu ortaklanmamış çiftlerin itmesi zayıflatır. Bağ sayısı sırayı verir, çarpanı vermez. Hidrojen bağında 21 ÷ 461,5 ≈ 0,046 çıkar. Enerji sütunu böylece ikiye bölünür: iyonik ve kovalent satırlar yüzlerce, hidrojen bağı yirmiler düzeyinde kilojoule taşır.

Bölüm 2 — Yön sütunu: belirli bir doğrultuya bakıyor mu?

4. Turgut Bey iyonik satırın yön hücresine "Na ile Cl el ele" yazıyor, Güllizar Hanım siliyor. Tek bir iyon çiftinin 283 pm'deki çekimini 1,440 eV·nm çarpanıyla hesapla ve silinen cümleyi düzelt.

Cevap: 1,440 ÷ 0,283 ≈ 5,09 eV, yani 491 kJ/mol dolayı. Coulomb çekimi her yöne eşit uzanır; bir Na⁺ tek bir klorürü seçmez, altısıyla çevrilidir ve katı tuzda ayrı bir sodyum–klorür çifti bulunmaz. Komşu halkalar toplanınca Madelung katsayısı 1,748'e yerleşir ve 1,748 × 491 ≈ 858 kJ/mol, itme düşülmeden. Hücreye "yön yok" yazılır; tuzun molekül değil örgü olması bundandır.

5. Pauling değerleri H 2,20, Cl 3,16, F 3,98. Hidrojen florür 91,7 pm'de 1,83 D, hidrojen klorür 127,5 pm'de 1,09 D taşır; 100 pm'deki tam temel yük 4,80 D eder. İki bağın elektronegatiflik farkını ve kısmi iyonik karakterini hesapla, farkı 1,78 olan HF'yi eşiğe bakıp "iyonik" saymanın neden yanılttığını söyle.

Cevap: Farklar 3,98 − 2,20 = 1,78 ve 3,16 − 2,20 = 0,96. Tam iyonik dipol HF'de 4,80 × 0,917 ≈ 4,40, HCl'de 4,80 × 1,275 ≈ 6,12 D. Oran HF'de 1,83 ÷ 4,40 ≈ 0,42, HCl'de 1,09 ÷ 6,12 ≈ 0,18. 1,7, 1,8 ya da 2,0 gibi eşikler öğretim uzlaşmasıdır ve hidrojen florür örgü kurmaz, ayrı moleküllerden oluşur. Yükleri çekirdeklerde nokta sayan hesap kısmi yükü tahmin eder; sağlam olan iki bağın sırasıdır.

6. Suyun ölçülen dipol momenti 1,855 D, açısı 104,48°. Her O–H için 1,51 D'lik etkin bir bağ dipolü kullanıp toplamı kur; açı 180° ve 90° olsaydı ne çıkardı? Karbon dioksit hangi duruma denk düşer?

Cevap: Yarım açı için cos 52,24° ≈ 0,612 alınır; açıortaydaki bileşenler toplanır, yandakiler birbirini götürür: 2 × 1,51 × 0,612 ≈ 1,85 D, ölçümle örtüşür. 180°'de iki ok karşı karşıya durur ve toplam sıfırdır; iki polar C=O bağına rağmen 0,000 D ölçülen karbon dioksit budur. 90°'de 2 × 1,51 × 0,707 ≈ 2,14 D çıkardı. Bağların tek tek polar olması yetmez; sonucu onların hangi yöne baktığı verir. Kovalent satırın yön hücresine "var" yazılır: ortaklanmamış iki çiftin itmesi 109,47°'yi 104,48°'e daraltır.

7. Etanol (CH₃CH₂OH), dimetil eter (CH₃OCH₃), aseton ((CH₃)₂C=O) ve metanda hidrojen bağı vericisini ve alıcısını işaretle. Hangileri kendi aralarında ağ kurar, hangileri yalnız suyla bağ kurar, ve buzdaki 99 ile 177 pm uzaklıkları yön hakkında ne söyler?

Cevap: Etanolde oksijene bağlı hidrojen verici, oksijen alıcıdır; molekül kendi türüyle ağ kurar. Dimetil eterin oksijeni iki karbona bağlıdır, sunacak O–H'si yoktur; aseton da yalnız karbonil oksijeniyle alır. İkisi ancak suyun hidrojenini karşılar. Metanın hidrojenleri karbona bağlıdır, 0,35'lik fark δ+ ucu zayıf bırakır ve molekül ne verir ne alır. Buzda 177 ÷ 99 ≈ 1,79: hidrojen bir oksijene sıkı, ötekine gevşek bağlıdır ve X–H···Y doğruya yaklaştıkça bağ güçlenir. DNA'da verici ile alıcının yüz yüze gelmesi ancak doğru baz eşinde mümkündür.

8. Van der Waals satırının yön hücresi en zorudur. Dağılma çekimi r⁻⁶ ile azalıyorsa mesafe yüzde on ve iki kat arttığında çekimden ne kalır, r⁻¹ ile azalan iyon çekimi iki katta ne yapardı? Düz zincirli pentan ile dallı neopentan tek bir formülü paylaşır, ama kaynama noktaları 36,1 ile 9,5 °C arasında ayrışır; fark nereden gelir?

Cevap: 1 ÷ 1,1⁶ ≈ 1 ÷ 1,77 ≈ 0,56 ve 1 ÷ 2⁶ = 1 ÷ 64 ≈ 0,016; iyonlarda iki katta yarısı kalırdı. Dağılma kuvveti bir doğrultu seçmez, ama menzili o kadar kısadır ki yalnız birbirine yaslanan yüzeyler sayılır. Düz pentan zincirleri boylu boyunca temas eder, neopentan bilyeleri tek noktada değer; mutlak ölçekte 309,2 ÷ 282,7 ≈ 1,09. Hücreye "doğrultu yok, temas yüzeyi belirler" yazılır.

Bölüm 3 — Su sütunu: su olmasa ne olur?

9. Neon, metan ve su on elektron taşır ve kaynama noktaları sırasıyla 27,1, 111,65 ve 373,15 K'dir. Aynı elektron sayısına rağmen sıralamayı ne kurar?

Cevap: Neonda yalnız dağılma kuvveti vardır ve sıkı tutulan küresel bulut az kutuplanır. Metanda elektronlar dört hidrojene yayılmış, çekirdeklerden uzak ve gevşektir; 111,65 ÷ 27,1 ≈ 4,1. Suda açılan 373,15 ÷ 27,1 ≈ 13,8 katlık farkı hidrojen bağı ağı taşır. Oksijen grubunun ağır akrabalarından çekilen doğru suyu −70 °C dolayında beklerken su 100 °C'de kaynar.

10. Cumartesi nöbetinde Turgut Bey krema tabakası için "su yağı itti" demişti. Yüzey gerilimleri su 72, heksan 18, arayüz 51 mN/m. Yapışma işiyle cümleyi düzelt ve yalnız hidrofobik etki satırının su hücresine neden "su yoksa etki de yok" yazıldığını açıkla.

Cevap: W = 18 + 72 − 51 = 39 mJ/m² pozitiftir, su ile heksan birbirini çeker. Heksan–heksan için 2 × 18 = 36 ve 39 ÷ 36 ≈ 1,08; su–su için 144, bu kez 39 ÷ 144 ≈ 0,27. Ayrışmayı itme değil, suyun hidrojen bağı ağını koruma eğilimi yürütür: apolar yüzeyin kenarındaki su molekülleri yön seçeneklerini yitirir ve bu entropi bedelidir. Saf heksanın içinde böyle bir kabuk yoktur. Öteki beş satır su içinde değişir ama suyu şart koşmaz; iyonik satırda su sökücüdür ve tuzun 3,9 kJ/mol'lük çözünme entalpisi kafesin 3,9 ÷ 787 ≈ 0,005'i kadardır.

Bölüm 4 — Yer sütunu: kristalde, zarda, proteinde

11. Sodyum dodesil sülfatın tek, bir fosfolipitin iki apolar kuyruğu vardır; hangisi misel, hangisi çift tabaka kurar? Alkil sülfatların kritik misel derişimleri 8, 10, 12 ve 14 karbonda 130, 33, 8,2 ve 2,1 mmol/L; iki karbonluk adımın etkisini hesapla.

Cevap: Tek kuyruk başı dışta küçük bir küreye sığar ve misel kurar. İki kuyruk küreye sığmayacak kadar hacimlidir; fosfolipitler kuyrukları birbirine dönük iki katmanlı yaprağı, hücre zarının iskeletini oluşturur. Zarı kovalent bir ağ tutmaz, yırtılınca açık kenar kuyrukları suya gösterdiği için kapanmaya yönelir. 130 ÷ 33 ≈ 3,94, 33 ÷ 8,2 ≈ 4,02, 8,2 ÷ 2,1 ≈ 3,90: iki karbon derişimi dörtte birine indirir. Kilomikron ikisine de tam benzemez, trigliserit çekirdeğini tek bir fosfolipit katmanı sarar.

12. Elektroforez jeli asetik asitli ve alkollü banyodan geçince albüminin sarmallarına ne olur, 585 amino asitlik zincirine ne olmaz? Vücut sıcaklığında RT ≈ 2,58 kJ/mol ve K = e^(−ΔG ÷ RT); katlanma serbest enerjisi 42 kJ/mol olan bir proteinde katlı ile açık moleküllerin oranı kaçtır, kararlılık yarıya inip 21 kJ/mol olursa ne olur?

Cevap: Banyo bir denatürasyondur: sarmalı ve katlı biçimi tutan zayıf etkileşimler dağılır, peptit bağları kopmaz, dizilim ve kovalent disülfit köprüleri yerinde kalır. Anfinsen'in ribonükleazı, biçim bilgisi dizilimde durduğu için küçük bir enzimin uygun ortamda eski biçimini yeniden bulabildiğini göstermişti. Oran için üs 42 ÷ 2,58 ≈ 16,3 ve K ≈ 1,2 × 10⁷; kararlılık yarıya inince üs 21 ÷ 2,58 ≈ 8,1 ve K ≈ 3400. Açık zincirlerin payı binlerce kat büyür, tek kalıntılık bir değişimin bir proteini devirebilmesi bundandır. 42 ÷ 21 = 2 ise bir bağ sayımı değil ölçek duygusudur, çünkü katlanan omurga suyla kurduğu bağları kendi içindeki bağlarla değiş tokuş eder.

Tahtanın doldurulmuş hâli

Turgut Bey on iki cevaptan sonra hücreleri dolduruyor. Enerji sütunundaki sayılar farklı süreçleri ölçtüğü için yan yana okunur, birbirine bölünmez.

Değerlendirme

On ikide dokuz ve üstü, modülün hesaplarını kendi başına yürütebildiğini gösterir. İlk iki soru ve dördüncü soru İyonik Bağ, üçüncü soru Kovalent Bağ, beşinci ve altıncı Polarite, yedinci ve dokuzuncu Hidrojen Bağı, sekizinci Van der Waals Etkileşimleri dersine gider. Onuncu ve on birinci Hidrofobik Etki dersinden, on ikinci soru ise proteinlerin katlanmasını işleyen mekanizma dersinden gelir.

Modülü kapatırken

Modülün ilk sabahında Yaren, tuz suda kaybolurken zarf biçimli kristallerin neden katı kaldığını sormuştu. Cevap iki büyük sayının küçük farkıydı ve aynı desen modül boyunca tekrarladı: yağ ile su birbirini çektiği hâlde ayrıldı, bir protein iki hidrojen bağı kadarlık bir payla katlı durdu. Tahtadaki altı satır bu yüzden bir güç sıralaması değil. Kristalde yönsüz çekim, zincirde yönlü bağ, biçimde ise tek tek zayıf ve suya duyarlı etkileşimler iş görüyor.

Bir sonraki derse köprü

Enerji sütunundaki her sayı mol başınaydı; buharlaşma entalpisini tek moleküle indirmek için 6,022 × 10²³'e bölmüştük, misel tablosu da litre başına milimol veriyordu. Mol, Çözelti ve Konsantrasyon modülünün ilk dersi Mol Kavramı bu ortak sayacı soracak: bir mol tam olarak neyi sayar, Avogadro sayısı tek taneciğin kütlesini tartılabilen gramlara nasıl bağlar, ve bir laboratuvar raporundaki mmol/L bir litre serumda kaç taneciğe karşılık gelir?