Hidrojen bağı

Su, kendi büyüklüğündeki moleküllerin hiçbirine benzemez. Kükürdün hidrojenle oluşturduğu H₂S, sudan daha ağır bir molekül olduğu hâlde oda sıcaklığında gazdır ve yaklaşık eksi 60 derecede kaynar. Su ise 100 °C'ye kadar sıvı kalır. Üstelik su donduğunda büzülmez, genleşir: buz sudan hafiftir ve yüzer. Bu iki tuhaflık olmasaydı Dünya'daki göller dipten donar, okyanuslar bu kadar geniş sıvı alanlar oluşturmaz, yaşam belki de bugünkü biçimini alamazdı. Suyu bu kadar özel kılan, molekülleri arasında kurulan ve Van der Waals etkileşimlerinden belirgin biçimde güçlü olan özel bir çekimdir. Bir önceki derste moleküller arasındaki zayıf etkileşimlerin büyük ailesini gördük. Bu ders o ailenin en güçlü üyesini, hidrojen bağını ve onun sudan DNA'ya uzanan sonuçlarını ele alıyor.

• Hidrojen bağının hangi koşullarda oluştuğunu açıklar, bir molekülün hidrojen bağı yapıp yapamayacağını belirlersin.
• Hidrojen bağının gücünü kovalent bağ ve Van der Waals etkileşimleriyle karşılaştırırsın.
• Su, HF ve NH₃'ün kaynama noktalarındaki sapmayı hidrojen bağıyla açıklarsın.
• Buzun yoğunluğunu, suyun çözücü olma özelliğini ve DNA'nın yapısını hidrojen bağıyla ilişkilendirirsin.

Hidrojen bağı nasıl oluşur?

Hidrojen, flor, oksijen ya da azot gibi çok elektronegatif ve küçük bir atoma kovalent olarak bağlandığında, bağın elektronları büyük ölçüde bu atoma doğru çekilir. Hidrojenin tek elektronu uzaklaşınca çekirdeği, yani tek bir proton, neredeyse açıkta kalır ve hidrojen güçlü bir kısmi artı yük taşır. Bu hidrojen, komşu bir molekülde bulunan flor, oksijen ya da azot atomunun ortaklanmamış elektron çiftine doğru çekilir. Bu çekime hidrojen bağı denir.

Hidrojen bağı kurulabilmesi için iki şart birlikte sağlanmalıdır:

• Bir molekülde F, O ya da N'ye doğrudan bağlı bir hidrojen bulunmalıdır (H–F, H–O ya da H–N).
• Öteki molekülde F, O ya da N atomu üzerinde ortaklanmamış bir elektron çifti bulunmalıdır.

Su, hidrojen florür, amonyak, etanol ve asetik asit bu şartları sağlar ve molekülleri arasında hidrojen bağı kurar. Metanda ise hidrojenler karbona bağlıdır; karbon yeterince elektronegatif değildir ve ortaklanmamış çifti yoktur. Metan molekülleri arasında hidrojen bağı oluşmaz, yalnız London kuvvetleri bulunur. Adına rağmen hidrojen bağı, iki atomu bir molekülde birleştiren gerçek bir kimyasal bağ değil, moleküller arasında kurulan zayıf bir etkileşimdir.

Ne kadar güçlü?

Hidrojen bağı, zayıf etkileşimlerin en güçlüsüdür. Gücü Van der Waals etkileşimlerinden genellikle belirgin biçimde fazla, kovalent bağlardan ise çok daha azdır. Bu yüzden su kaynarken moleküller arasındaki hidrojen bağları kopar ama molekülün içindeki O–H kovalent bağları bozulmaz. Hidrojen bağı da öteki zayıf etkileşimler gibi erime, kaynama ve çözünme gibi fiziksel değişimlerde kopar ve yeniden kurulur. Sıvı suda bu bağlar sürekli kopup yeniden kurulur; her an çok sayıda molekül komşularına bağlı durur.

Kaynama noktalarındaki sapma

Bir önceki derste, benzer moleküllerde molekül büyüdükçe London kuvvetlerinin ve kaynama noktasının arttığını gördük. 6A grubunun hidrojenle oluşturduğu bileşiklerde H₂S, H₂Se ve H₂Te için bu eğilim beklendiği gibi işler: molekül büyüdükçe kaynama noktası yükselir. Ama su bu dizinin en küçük molekülü olduğu hâlde kaynama noktası en yüksek olandır; çünkü yalnız su molekülleri arasında hidrojen bağı vardır.

Aynı sapma başka gruplarda da görülür. Hidrojen florür yaklaşık 20 °C'de kaynarken, daha ağır olan hidrojen klorür yaklaşık eksi 85 °C'de kaynar. Amonyak yaklaşık eksi 33 °C'de kaynarken, daha ağır fosfin (PH₃) yaklaşık eksi 88 °C'de kaynar. Her durumda yüksek kaynama noktasının nedeni, flor, oksijen ya da azota bağlı hidrojenlerin kurduğu hidrojen bağlarıdır.

Aynı molekül formülüne sahip iki madde de bu farkı gösterir. Etanol ile dimetil eterin ikisinin de formülü C₂H₆O'dur. Etanolde oksijene bağlı bir hidrojen bulunur ve molekülleri hidrojen bağı kurar; etanol yaklaşık 78 °C'de kaynar. Dimetil eterde ise oksijene bağlı hidrojen yoktur; bu madde oda sıcaklığında gazdır.

Buz neden yüzer?

Çoğu madde katılaşırken tanecikleri birbirine yaklaşır ve katı, sıvısından daha yoğun olur. Su donarken ise her su molekülü komşularına hidrojen bağlarıyla belirli açılarda bağlanır ve molekülleri birbirinden uzak tutan, boşluklu ve düzenli bir yapı oluşturur. Bu açık yapı yüzünden buzun yoğunluğu sıvı suyunkinden küçüktür ve buz suda yüzer. Kışın göller yüzeyden donar; yüzeydeki buz tabakası alttaki suyu soğuktan yalıtır ve sudaki canlılar buzun altında yaşamayı sürdürür.

Yüzey gerilimi ve öz ısı

Hidrojen bağı suya iki gündelik özellik daha kazandırır. Birincisi yüksek yüzey gerilimidir. Yüzeydeki su molekülleri, alttaki ve yandaki komşularına hidrojen bağlarıyla çekilir ve yüzey gerilmiş ince bir zar gibi davranır. Yaprak üzerindeki su damlalarının küre biçimini alması, bir bardağı taşacak kadar dolduranların gördüğü kabarık su yüzeyi ve bazı küçük böceklerin suyun üzerinde batmadan yürüyebilmesi bu gerilimin sonuçlarıdır.

İkincisi suyun geç ısınıp geç soğumasıdır. Suyun sıcaklığını yükseltmek için verilen enerjinin bir kısmı moleküller arasındaki hidrojen bağlarını gevşetmeye harcanır; bu yüzden suyun öz ısısı yüksektir. Fizik akademisinin ısı ünitesinde gördüğümüz kumsal örneği, yani güneşte kumun çabuk ısınıp denizin serin kalması, bu özellikle açıklanır. Büyük su kütleleri bu sayede kıyı bölgelerinin iklimini yumuşatır.

Hidrojen bağı ve çözünme

Hidrojen bağı yapabilen maddeler, hidrojen bağı yapabilen çözücülerde iyi çözünür. Etanol suyla her oranda karışır, çünkü etanol ve su molekülleri birbiriyle hidrojen bağı kurar. Şeker de molekülündeki çok sayıda O–H grubu sayesinde suda iyi çözünür. Buna karşılık metan ya da yağ gibi hidrojen bağı yapamayan apolar maddeler suda çok az çözünür. Kimyada sık kullanılan "benzer benzeri çözer" ifadesi bu ilişkiyi özetler.

Canlılık ve hidrojen bağı

Hidrojen bağının en önemli sonuçlarından biri canlıların içindedir. DNA molekülünün iki zinciri, karşılıklı bazlar arasında kurulan hidrojen bağlarıyla bir arada tutulur: adenin ile timin arasında iki, guanin ile sitozin arasında üç hidrojen bağı vardır. Bu bağlar, zincirleri bir arada tutacak kadar güçlü, ama hücre bölünürken zincirlerin ayrılmasına izin verecek kadar zayıftır. Proteinlerin katlanıp belirli biçimlerini alması da büyük ölçüde hidrojen bağlarıyla sağlanır.

Örnek 1 — Hidrojen bağı var mı?

Soru: NH₃ ve PH₃ moleküllerinden hangisinin molekülleri arasında hidrojen bağı kurulur?

• A) Yalnız PH₃
• B) İkisinde de
• C) İkisinde de kurulmaz
• D) Yalnız NH₃
• E) Karşılaştırılamaz

Çözüm: Amonyakta hidrojen azota bağlıdır ve azotun ortaklanmamış çifti vardır. Fosfor ise hidrojen bağı kuracak kadar küçük ve elektronegatif değildir. Cevap: D.

Örnek 2 — Su ve H₂S

Soru: Su molekülü H₂S'den hafif olduğu hâlde neden çok daha yüksek sıcaklıkta kaynar?

• A) Su moleküllerinin daha büyük olması
• B) Su molekülleri arasında hidrojen bağı bulunması
• C) H₂S'nin iyonik olması
• D) Suyun apolar olması
• E) H₂S'de London kuvveti bulunmaması

Çözüm: Su molekülü daha küçüktür; buna rağmen moleküller arası hidrojen bağları kaynama noktasını belirgin biçimde yükseltir. Cevap: B.

Örnek 3 — Buzun yoğunluğu

Soru: Buzun suyun üzerinde yüzmesi neyle açıklanır?

• A) Buzun içinde hava kabarcığı olmasıyla
• B) Buz moleküllerinin daha ağır olmasıyla
• C) Hidrojen bağlarının buzda molekülleri boşluklu, açık bir yapı içinde tutması ve yoğunluğu düşürmesiyle
• D) Suyun buzu itmesiyle
• E) Buzun apolar olmasıyla

Çözüm: Donarken kurulan düzenli hidrojen bağları molekülleri birbirinden uzak tutar; buz sudan daha az yoğundur. Cevap: C.

Örnek 4 — Karışma

Soru: Etanolün suyla her oranda karışması hangi etkileşimle açıklanır?

• A) Etanol ve su molekülleri arasında kurulan hidrojen bağlarıyla
• B) İkisinin de apolar olmasıyla
• C) London kuvvetlerinin bulunmamasıyla
• D) Etanolün iyonlaşmasıyla
• E) Suyun metal olmasıyla

Çözüm: Etanolün O–H grubu su molekülleriyle hidrojen bağı kurar. Cevap: A.

• Her hidrojen içeren molekülde hidrojen bağı olduğunu sanmak. Hidrojen F, O ya da N'ye doğrudan bağlı olmalıdır; metanda hidrojen bağı yoktur.
• Hidrojen bağını gerçek bir kovalent bağ sanmak. Moleküller arası zayıf bir etkileşimdir.
• Kaynarken O–H bağlarının koptuğunu düşünmek. Kaynamada yalnız moleküller arası hidrojen bağları kopar.
• Buzun sudan yoğun olduğunu sanmak. Hidrojen bağlarının açık yapısı buzu sudan hafif yapar.
• Kaynama noktasında yalnız büyüklüğe bakmak. Hidrojen bağı, küçük molekülleri bile yüksek sıcaklıkta kaynatabilir.