İyonik bağ

Sodyum, bıçakla kesilebilen yumuşak, parlak bir metaldir ve suya atıldığında şiddetle tepkimeye girer. Klor, yeşilimsi sarı, boğucu ve zehirli bir gazdır. Bu iki tehlikeli madde bir araya geldiğinde ortaya her gün yemeğimize serptiğimiz beyaz, kristal yapılı, zararsız sofra tuzu çıkar. İki elementin özelliklerinden hiçbiri tuzda kalmamıştır; çünkü tepkimede atomlar elektron alışverişi yapmış ve bambaşka taneciklere, iyonlara dönüşmüştür. Bu iyonları bir arada tutan kuvvet, kimyadaki en güçlü etkileşimlerden biridir. Önceki modülde atomun yapısını ve elementlerin periyodik özelliklerini gördük. Bu modül, atomların birbirine nasıl bağlandığını inceliyor ve ilk olarak metallerle ametaller arasında oluşan iyonik bağı ele alıyor.

• Atomların neden bağ yaptığını oktet ve dublet kuralıyla açıklarsın.
• İyonik bağın elektron aktarımıyla nasıl oluştuğunu ve hangi elementler arasında görüldüğünü belirlersin.
• İyonik katıların kristal örgü yapısını ve formül biriminin anlamını açıklarsın.
• İyonik bileşiklerin erime noktası, iletkenlik ve kırılganlık gibi özelliklerini yapılarıyla ilişkilendirirsin.

Atomlar neden bağ yapar?

Soy gazlar doğada tek atomlar hâlinde bulunur ve neredeyse hiç tepkimeye girmez. Ortak özellikleri, son katmanlarının dolu olmasıdır: helyumun tek katmanında 2, öteki soy gazların son katmanında 8 elektron vardır. Öteki atomlar elektron alarak, vererek ya da ortaklaşa kullanarak bu kararlı dizilime ulaşmaya yönelir. Son katmanı sekiz elektrona tamamlama eğilimine oktet kuralı, helyum gibi iki elektrona tamamlama eğilimine dublet kuralı denir. Hidrojen, lityum ve berilyum gibi küçük atomlar dubleti, öteki ana grup elementleri okteti hedefler.

Atomları ya da iyonları bir arada tutan kuvvetlere kimyasal bağ denir. Güçlü etkileşimler olarak bilinen üç bağ türü vardır: iyonik, kovalent ve metalik bağ. Bu ders birincisini, yani elektronların bir atomdan ötekine tamamen geçtiği bağı inceliyor.

Elektron aktarımı

İyonik bağ, elektron vermeye yatkın bir atomla elektron almaya yatkın bir atom karşılaştığında oluşur. Periyodik özellikler dersinde gördüğümüz gibi metallerin iyonlaşma enerjisi düşüktür, ametallerin elektron ilgisi ve elektronegatifliği yüksektir. Bu yüzden iyonik bağ genellikle bir metal ile bir ametal arasında görülür.

Sodyum ile klorun tepkimesinde sodyum atomu (2, 8, 1) son katmanındaki tek elektronu verir ve neon gibi 2, 8 dizilimine ulaşarak Na⁺ olur. Klor atomu (2, 8, 7) bu elektronu alır ve argon gibi 2, 8, 8 dizilimine ulaşarak Cl⁻ olur. Zıt yüklü bu iki iyon birbirini elektrostatik kuvvetle çeker. Zıt yüklü iyonlar arasındaki bu çekime iyonik bağ denir.

Magnezyum ile oksijen arasında ise iki elektron aktarılır: magnezyum (2, 8, 2) iki elektron verip Mg²⁺, oksijen (2, 6) iki elektron alıp O²⁻ olur. Aktarılan elektron sayısı, metalin verdiği ve ametalin aldığı elektron sayılarının eşit olmasını gerektirir; bileşiğin formülü de bu eşitlikten çıkar. Bu yüzden kalsiyum ile klor birleşirken bir kalsiyum iki elektron verir ve bu iki elektronu iki klor atomu paylaşır: CaCl₂.

Kristal örgü ve formül birimi

İyonik bir katıda iyonlar çiftler hâlinde değil, üç boyutlu ve düzenli bir yapı içinde dizilir. Her artı iyon birkaç eksi iyonla, her eksi iyon da birkaç artı iyonla çevrilidir; sofra tuzunda her Na⁺ iyonu altı Cl⁻ iyonuyla, her Cl⁻ iyonu da altı Na⁺ iyonuyla sarılıdır. Bu düzenli yapıya kristal örgü denir. Tuz tanelerinin küp biçiminde olması, bu iç düzenin dışa yansımasıdır.

Kristal örgüde birbirinden ayrı moleküller yoktur; her iyon komşularının hepsine aynı anda çekilir. Bu yüzden NaCl formülü bir molekülü değil, örgüdeki iyonların oranını gösterir: her bir Na⁺ iyonuna bir Cl⁻ iyonu düşer. İyonik bileşiğin formülünün gösterdiği en küçük iyon grubuna formül birimi denir. "Sodyum klorür molekülü" demek bu yüzden yanlıştır.

İyonik bileşiklerin özellikleri

İyonik bileşiklerin özellikleri, güçlü çekimle birbirine bağlı iyonlardan oluşan bu yapıdan doğar.

• Erime ve kaynama noktaları yüksektir. Kristal örgüyü dağıtmak için çok sayıda güçlü bağı koparmak gerekir. Sofra tuzu yaklaşık 801 °C'de erir. Oda sıcaklığında katıdırlar.
• Katı hâlde elektriği iletmezler, çünkü iyonlar örgüde sabittir ve yük taşıyamaz. Erimiş hâlde ya da suda çözündüklerinde iletirler, çünkü iyonlar serbest kalır ve hareket edebilir.
• Sert ama kırılgandırlar. Bir darbe örgünün bir katmanını kaydırırsa aynı yüklü iyonlar yan yana gelir, birbirini iter ve kristal çatlar.
• Birçoğu suda çözünür, ama hepsi değil; çözünürlük ayrı bir konu olarak ileride ele alınır.

Bağın gücünü ne belirler?

İyonlar arasındaki çekim, iyonların yükleri büyüdükçe ve iyonlar küçüldükçe güçlenir. Magnezyum oksitte iyonların yükleri 2+ ve 2−'dir; sodyum klorürde ise 1+ ve 1−. Bu yüzden magnezyum oksidin iyonları birbirini çok daha güçlü çeker ve magnezyum oksidin erime noktası sofra tuzununkinden çok daha yüksektir. Bu ilişki, iki iyonik bileşiğin erime noktalarını karşılaştıran sorularda kullanılır: önce yüklere, yükler eşitse iyonların büyüklüğüne bakılır.

Gündelik hayatta iyonik bileşikler

İyonik bileşiklerle her gün karşılaşırız. Sofra tuzu sodyum klorürdür. Mermer ve kireç taşının ana bileşeni kalsiyum karbonattır (CaCO₃); karbonat çok atomlu bir iyon olsa da kalsiyum iyonuyla iyonik bağ kurar. Duvar sıvasında ve kırık kemiklerin sarıldığı alçıda kalsiyum sülfat bulunur. Bazı diş macunlarına eklenen sodyum florür (NaF) de iyonik bir bileşiktir. Bu maddelerin hepsinin katı, sert ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı olması, iyonik bağın güçlü olmasının gündelik bir göstergesidir.

Bir bileşiğin iyonik olup olmadığını anlamak

Bir bileşikte bir metal ile bir ametal birlikte bulunuyorsa bileşik genellikle iyoniktir: NaCl, KBr, MgO, CaF₂, Al₂O₃. Amonyum (NH₄⁺) içeren bileşikler de, metal içermese bile, iyoniktir. Yalnız ametallerden oluşan su, karbon dioksit ve metan gibi bileşikler ise iyonik değildir; bunlarda atomlar elektron aktarmak yerine elektron ortaklaşa kullanır. Bu bağ türü bir sonraki dersin konusudur. Daha genel bir ölçüt, iki atomun elektronegatiflikleri arasındaki farktır: fark büyüdükçe elektron bir atomdan ötekine tamamen geçer ve bağ iyonik karakter kazanır.

Örnek 1 — Oluşum

Soru: Magnezyum (₁₂Mg) ile klor (₁₇Cl) arasında oluşan iyonik bileşik için hangisi doğrudur?

• A) Magnezyum bir elektron alır, formül MgCl'dir.
• B) Klor iki elektron verir.
• C) Magnezyum iki elektron verir, iki klor atomu birer elektron alır; formül MgCl₂'dir.
• D) Elektron ortaklaşa kullanılır.
• E) Formül Mg₂Cl'dir.

Çözüm: Magnezyum 2, 8, 2 diziliminden iki elektron vererek Mg²⁺ olur; her klor bir elektron alarak Cl⁻ olur. İki artı yükü iki klorür dengeler. Cevap: C.

Örnek 2 — İletkenlik

Soru: Katı sofra tuzu elektriği iletmezken suda çözündüğünde iletmesinin nedeni nedir?

• A) Su elektronları iletir.
• B) Çözeltide iyonlar serbest kalır ve hareket ederek yük taşır.
• C) Tuz çözününce metal olur.
• D) Çözünme sırasında yeni elektronlar oluşur.
• E) Tuz çözününce molekül hâline geçer.

Çözüm: Katıda iyonlar örgüde sabittir; çözeltide serbestçe hareket eden iyonlar akımı taşır. Cevap: B.

Örnek 3 — İyonik mi?

Soru: Aşağıdaki bileşiklerden hangisi iyoniktir?

• A) H₂O
• B) CO₂
• C) CH₄
• D) NH₃
• E) CaF₂

Çözüm: CaF₂ bir metal (kalsiyum) ile bir ametalden (flor) oluşur. Ötekilerin hepsi yalnız ametallerden oluşur. Cevap: E.

Örnek 4 — Erime noktası

Soru: NaCl ile CaO'dan hangisinin erime noktası daha yüksektir ve neden?

• A) CaO; iyon yükleri (2+ ve 2−) daha büyük olduğu için iyonlar daha güçlü çekilir.
• B) NaCl; sodyum daha hafiftir.
• C) Eşittir; ikisi de iyoniktir.
• D) NaCl; klor bir gazdır.
• E) CaO; kalsiyum bir metaldir.

Çözüm: İyonik bağın gücü yükler büyüdükçe artar; CaO'daki iyonlar NaCl'dekilerin iki katı yük taşır. Cevap: A.

• "NaCl molekülü" demek. İyonik katılarda ayrı molekül yoktur; formül, formül birimidir.
• İyonik katının katıyken iletken olduğunu sanmak. İyonlar ancak erimiş hâlde ya da çözeltide serbestçe hareket eder.
• İyonik bağı elektron ortaklaşması sanmak. İyonik bağda elektron aktarılır; ortaklaşma kovalent bağdır.
• Amonyum bileşiklerini iyonik saymamak. NH₄Cl metal içermediği hâlde iyoniktir.
• Erime noktası karşılaştırmasında yükleri gözden kaçırmak. Yük büyüdükçe bağ güçlenir.