Organik ve anorganik bileşikler

Pınar, babaannesinin haftalık alışveriş listesiyle markette kasa sırasını bekliyordu. Sepette «organik» etiketli bir paket mercimek, bir kutu karbonat ve kasadan alınan ince plastik poşet vardı. Kuzeni Ozan etiketi gösterip kimya defterinden aklında kalanı sordu: bu mercimek kimyada da mı organikti? Pınar tereddüt etmedi: «Elbette. Organik doğal demek; fabrikadan geçen hiçbir şey organik olamaz.» Ozan poşeti havaya kaldırdı. «TYT'de "Yaygın polimerler" dersinde okuduk: bu poşet polietilen, yani karbon ve hidrojenden kurulu bir organik bileşik, üstelik petrol ürünlerinden fabrikada yapılıyor.» Sonra karbonat kutusunu çevirdi; içindekiler satırında sodyum bikarbonat, NaHCO₃ yazıyordu. «Bunda karbon var, ama kimya kitabı bunu anorganik sayıyor.» Pınar poşeti katlayıp cebine koydu: «Fabrikada doğan şey organikse, karbonlu toz değilse, kimyacının ölçütü ne?»

• Verilen bir bileşiğin organik mi anorganik mi olduğunu, karbon içeren istisna gruplarını gözeterek ayırt edersin.
• Karbonun dört bağ yapma, zincir ve halka kurma özelliğini bir formülün geçerliliğini sınamak için kullanırsın.
• Açık, yarı açık ve kapalı formül arasında geçiş yapar, zincirdeki karbonları birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül diye sınıflandırırsın.
• Bir organik bileşiğin tam yanmasında oluşan CO₂ ve H₂O miktarını ve gereken oksijeni atom korunumundan hesaplarsın.

Bir kelimenin iki işi

Elektrokimya modülü iyonların ve elektronların peşindeydi: hangi metal elektron verir, hangi iyon alır, devreden ne kadar yük geçer. Bu modülde odak tek bir elemente, karbona kayıyor. Gerekçesi sayıdır: bilinen bileşiklerin büyük çoğunluğu karbon içerir ve bunların incelendiği dala organik kimya denir. «Kimyanın alt dalları» dersinde bu ayrım ilk kez geçmişti; şimdi ölçütünü kuruyoruz.

Pınar'ın etiketteki kelimesi tarımda bir üretim biçiminin adıdır: ürünün nasıl yetiştirildiğini anlatır, molekülleri hakkında bir şey söylemez. Kimyada ise organik bileşik, karbon atomlarının birbirine ve çoğunlukla hidrojene kovalent bağla bağlandığı bileşiklerdir. Bu tanımda «doğal» ya da «yapay» diye bir koşul yoktur. Mercimekteki nişasta da, kasadaki poşetin polietileni de organiktir; biri tarlada, öteki fabrikada oluşmuştur. Organik olmayan bileşiklere anorganik (inorganik) bileşikler denir: sofra tuzu, su, sülfürik asit, metal oksitleri, mineraller.

Yaşam gücünden laboratuvara

Kelimenin kökü organizmadır. On dokuzuncu yüzyılın başında kimyacıların çoğu, şeker, üre, yağ asitleri gibi canlılardan elde edilen maddelerin ancak canlı bir organizmanın içinde, ona özgü bir «yaşam gücü» sayesinde oluşabileceğini düşünüyordu. Bu görüşe vitalizm denir. Ona göre organik madde laboratuvarda cansız maddelerden yapılamazdı.

Alman kimyacı Friedrich Wöhler 1828'de anorganik sayılan amonyum siyanatı (NH₄OCN) ısıttığında, idrarda bulunan ve o güne dek yalnız canlı kaynaklardan bilinen üreyi, CO(NH₂)₂, elde etti. Formüllerdeki atomlar sayılınca dikkat çekici bir eşitlik çıkar: amonyum siyanat da üre de bir karbon, dört hidrojen, iki azot ve bir oksijenden oluşur. Atomlar aynı kaldı, dizilişleri değişti. Bu deney vitalizmi tek başına ortadan kaldırmadı; sonraki on yıllarda başka sentezler de eklendi. Ama organik kimyanın «canlıların kimyası» olmaktan çıkıp «karbon bileşiklerinin kimyası» olmasının simgesi oldu. Bugün plastikler, ilaç etken maddelerinin çoğu, boyalar ve sentetik lifler fabrikada üretilen organik bileşiklerdir.

Karbonu olan her bileşik organik değildir

Ozan'ın karbonat kutusu tanımın sınırını gösterir. Bazı karbonlu bileşikler yapı ve davranış bakımından tuzlara, oksitlere, asitlere benzer ve gelenek olarak anorganik kimyada incelenir:

Bu grupların dışındaki karbon bileşiklerini organik saymak sınavda yeterli bir kuraldır. Element hâlindeki karbon (elmas, grafit) ise bileşik olmadığı için bu ayrımın dışında kalır; onu «Karbonun allotropları» dersi ayrıca ele alacak. Üre ile amonyum siyanatın kapalı formülleri özdeş olduğu hâlde biri organik, öteki anorganik sayılır. Demek ki sınıflandırmada yalnız formüle değil, atomların nasıl bağlandığına da bakılır.

Karbonun bağ yapma özelliği

Karbonun bu kadar çok bileşik kurabilmesinin nedeni bağ yapma biçimindedir. ₆C atomunun elektron dizilimi 1s² 2s² 2p²'dir; değerlik katmanında dört elektron vardır. Dört elektronu tümden vermek ya da dışarıdan kazanmak çok enerji gerektirdiği için karbon iyon oluşturmak yerine elektronlarını ortaklaştırır. «Kovalent bağ» ve «Lewis yapıları» derslerindeki oktet kuralıyla okunduğunda sonuç açıktır: organik bileşiklerde her karbon atomu toplam dört bağ yapar.

Bu dört bağ farklı biçimlerde dağıtılabilir. Etanda (CH₃–CH₃) karbonlar arasında tekli bağ vardır ve her karbon üç hidrojen daha taşır. Etende (CH₂=CH₂) karbonlar ikili bağla bağlıdır; her karbonun iki bağı birbirine gittiği için yalnız iki hidrojene yer kalır. Etinde (HC≡CH) üçlü bağ bulunur ve her karbona tek bir hidrojen düşer. İkili bağ iki, üçlü bağ üç bağ olarak sayılır. Bir formülün geçerli olup olmadığını sınamanın en hızlı yolu her karbonun bağlarını toplamaktır: CH₃–CH=CH₃ yazımında son karbon üç hidrojen ve bir ikili bağla beş bağa çıktığı için böyle bir molekül yoktur.

İkinci özellik, karbonun kendi atomlarıyla sağlam bağlar kurmasıdır. Karbon atomları uç uca eklenerek düz zincirler, yan kollar taşıyan dallanmış zincirler ve uçları birleşen halkalar oluşturur. Periyodik sistemde hemen altındaki silisyum da dört bağ yapar, ama karbon kadar uzun ve kararlı zincirler kuramaz. Polietilenin binlerce karbonluk zinciri ile mercimekteki nişastanın halkalardan örülü yapısı bu özelliğin iki ucudur. Hidrojenin yanına oksijen, azot, kükürt ya da halojen atomları da eklenebildiği için olası bileşik sayısı pratikte sınırsızdır.

Formülü üç biçimde yazmak

Aynı molekül farklı ayrıntı düzeyinde yazılabilir. Açık formül (yapı formülü) bütün atomları ve aralarındaki her bağı ayrı bir çizgiyle gösterir; propanda üç karbon yan yana dizilir, her C–C ve her C–H bağı tek tek çizilir. Yarı açık formül (kısa formül) karbonlar arasındaki bağları korur, her karbonun hidrojenlerini yanına toplar: CH₃–CH₂–CH₃. Kapalı formül (molekül formülü) yalnız atom türlerini ve sayılarını verir: C₃H₈.

Yarı açıktan kapalıya geçerken karbonlar ve hidrojenler ayrı ayrı toplanır; yan dalda ya da fonksiyonel grupta duran hidrojen unutulmamalıdır. CH₃–CH₂–OH formülünde iki karbon, beş hidrojen karbonlarda, bir hidrojen de oksijende durur: C₂H₆O. Kapalı formülden geriye gitmek ise her zaman tek yollu değildir. Formülü C₄H₁₀ olan madde hem CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ düz zinciri hem de CH₃–CH(CH₃)–CH₃ dallı zinciri olabilir. Parantez içindeki CH₃ önündeki karbona bağlı bir yan daldır. Atomların oranını en sade biçimde veren basit formül ise «Kaba ve basit formül» dersinin konusu.

Zincirdeki karbonları sınıflandırmak

Bir karbonun zincirdeki konumu, kaç başka karbona bağlı olduğuyla adlandırılır. Hidrojen sayısı burada ölçüt değildir:

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ zincirinde baştaki CH₃ yalnız ikinci karbona bağlıdır, birincildir. İkinci karbon sağındaki ve solundaki karbonlara ve yan daldaki CH₃'e bağlıdır, üçüncüldür. CH₂ iki karbon arasında durduğu için ikincildir. Yan daldaki CH₃ ile sondaki CH₃ birincildir. Toplam: üç birincil, bir ikincil, bir üçüncül karbon. C(CH₃)₄ molekülünün ortasındaki karbon dört karbona bağlı olduğu için dördüncüldür. Tek karbonlu metanın karbonu başka karbona bağlı olmadığından bu sınıflandırmaya girmez.

Organik bileşiklerin genel özellikleri

Bağ türü özelliklerin çoğunu açıklar. Organik bileşikler kovalent bağlı, çoğunlukla molekül yapılı maddelerdir; moleküller arasındaki çekim iyonik kristallerdeki çekimden zayıf olduğu için erime ve kaynama noktaları genellikle düşüktür. Şeker gibi bazıları erimeye yaklaşırken bozunmaya başlar; tavada esmerleşmesi bundandır. Çoğu suda az çözünür, apolar çözücülerde iyi çözünür. İstisnalar «Hidrojen bağı» dersinden tanıdıktır: etanol, asetik asit ve şeker sudaki moleküllerle hidrojen bağı kurduğu için suda iyi çözünür. Sulu çözeltilerinin çoğu iyon içermediği için elektriği iletmez; asetik asit gibi organik asitler az iyonlaşarak zayıf iletir. Organik maddelerin çoğu yanıcıdır, ama hepsi değil: CCl₄ organik olduğu hâlde yanmaz. Tepkimeleri, iyonlar arasındaki tepkimelere göre genellikle yavaştır.

Yanma: karbon nereye gider?

Bir organik bileşik yeterli oksijenle tamamen yandığında karbon atomlarının tümü CO₂'ye, hidrojen atomlarının tümü H₂O'ya geçer. Hesabın anahtarı «Kimyanın temel kanunları» dersindeki kütlenin korunumudur: atom ne kaybolur ne türer. Bu yüzden 1 mol CₓHᵧO_z yandığında x mol CO₂ ve y/2 mol H₂O oluşur; her su molekülü iki hidrojen taşıdığı için hidrojen sayısı ikiye bölünür.

Gereken oksijen de aynı sayımdan çıkar. Ürünlerdeki oksijen atomu sayısı 2x + y/2'dir. Bunun z kadarını bileşik kendisi getirir, gerisini O₂ sağlar: gereken O₂ molü x + y/4 − z/2 olur. Asetik asit (C₂H₄O₂) için bu 2 + 1 − 1 = 2 mol O₂ eder; 1 mol asit 2 mol CO₂ ve 2 mol H₂O verir. Oksijen yetersiz kalırsa yanma tamamlanmaz ve zehirli karbon monoksit (CO) ile is oluşur; kapalı ortamda yanan ocak ve sobaların tehlikesi buradadır.

Yanma ürünleri bir maddede karbon bulunduğunu da gösterir. Yanmadan çıkan gaz berrak kireç suyundan geçirildiğinde çözelti bulanır, çünkü CO₂ suda az çözünen kalsiyum karbonatı çöktürür. Havanın oksijeni karbon getirmediğine göre bu karbon yanan maddeden gelmiştir. Yanma tek başına organikliği kanıtlamaz: hidrojen ve magnezyum da yanar. Ama ürünlerde CO₂ görmek, yanan maddede karbon bulunduğunun kesin işaretidir.

Dört bağın arkasındaki soru

Bu ders karbona dört bağ yazdırdı ama bir çelişkiyi açık bıraktı. Temel hâldeki dizilimde, 1s² 2s² 2p², yarı dolu orbital yalnız iki tanedir; buna rağmen karbon dört bağ kurar ve metandaki dört C–H bağı birbirinin tıpatıp aynısıdır. Karbonun orbitallerinin bağ kurmadan önce karışıp eş enerjili yeni orbitallere dönüştüğünü ve tekli, ikili, üçlü bağın bu karışımı nasıl değiştirdiğini «Hibritleşme» dersi açıklıyor.

Örnek 1 — Sepetteki anorganik madde

Soru: Bir mutfakta bulunan aşağıdaki maddelerden hangisi kimyaca anorganik bir bileşiktir?

• A) Zeytinyağındaki yağ molekülleri
• B) Sofra şekeri, sakaroz (C₁₂H₂₂O₁₁)
• C) Kabartma tozundaki sodyum bikarbonat (NaHCO₃)
• D) Saklama kabının polietileni
• E) Sirkedeki asetik asit (CH₃COOH)

Çözüm: Seçeneklerin hepsinde karbon var; ölçüt karbonun varlığı değil, hangi grupta durduğudur. Bikarbonatlar karbonatlarla birlikte anorganik sayılan istisna grubundadır. Yağ molekülleri, sakaroz, polietilen ve asetik asit karbon zinciri taşıyan organik bileşiklerdir; polietilenin fabrikada üretilmesi bunu değiştirmez. Cevap: C.

Örnek 2 — Kısa formülden molekül formülüne

Soru: Yarı açık formülü CH₃–C≡C–CH₃ olan bileşiğin kapalı formülü hangisidir ve ortadaki karbonların her biri kaç hidrojen taşır?

• A) C₄H₆; ortadaki karbonlar hidrojen taşımaz.
• B) C₄H₈; ortadaki karbonlar birer hidrojen taşır.
• C) C₄H₁₀; ortadaki karbonlar ikişer hidrojen taşır.
• D) C₄H₆; ortadaki karbonlar birer hidrojen taşır.
• E) C₂H₃; ortadaki karbonlar hidrojen taşımaz.

Çözüm: Ortadaki her karbon üçlü bağla üç, uçtaki CH₃'e tekli bağla bir bağ yapar; dördü dolduğu için hidrojene yer kalmaz. Hidrojenler yalnız iki uçtaki CH₃ gruplarındadır: 3 + 3 = 6. Dört karbonla formül C₄H₆ olur. E seçeneği oranı sadeleştirmiştir; o basit formüldür, molekül formülü değildir. Cevap: A.

Örnek 3 — Karbonları saymak

Soru: CH₃–CH₂–C(CH₃)₂–CH(CH₃)–CH₃ zincirindeki birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül karbon sayıları sırasıyla hangisidir?

• A) 5, 1, 1, 1
• B) 4, 2, 1, 1
• C) 5, 2, 1, 0
• D) 3, 1, 2, 2
• E) 6, 1, 0, 1

Çözüm: Ana zincir soldan sağa beş karbondur. Baştaki CH₃ tek karbona bağlıdır: birincil. CH₂ iki karbon arasında: ikincil. C(CH₃)₂ karbonu solundaki CH₂'ye, sağındaki CH'ye ve iki yan dala bağlıdır, yani dört karbona: dördüncül. CH(CH₃) solundaki karbona, yan dalına ve sondaki CH₃'e bağlıdır: üçüncül. Kalan dört CH₃ (üç yan dal ve sondaki) birincildir; baştakiyle birlikte birincil karbon sayısı beştir. Toplam 5 + 1 + 1 + 1 = 8 karbon, formül C₈H₁₈ ile tutarlıdır. Cevap: A.

Örnek 4 — Bütanın yanması

Soru: 11,6 g bütan (C₄H₁₀) tamamen yakılıyor. Oluşan su kütlesi ve harcanan oksijen kütlesi hangisidir? (Bütan için C = 12 ve H = 1, oksijen için O = 16 g/mol alınız.)

• A) 9 g su; 20,8 g O₂
• B) 18 g su; 20,8 g O₂
• C) 36 g su; 41,6 g O₂
• D) 18 g su; 41,6 g O₂
• E) 18 g su; 35,2 g O₂

Çözüm: Bütanın mol kütlesi 4 × 12 + 10 = 58 g/mol, elimizdeki miktar 11,6 / 58 = 0,2 mol. On hidrojen beş su verir: 0,2 × 5 = 1 mol, yani 18 g su. Bir mol bütan için gereken O₂, 4 + 10/4 = 6,5 moldür; 0,2 molde 1,3 mol, yani 41,6 g O₂ harcanır. Sağlama: 0,8 mol CO₂ 35,2 g eder ve 11,6 + 41,6 = 35,2 + 18 = 53,2 g ile kütle korunur. C seçeneği hidrojen sayısını suyun molü sanmış, E ise CO₂ kütlesini oksijen yerine yazmıştır. Cevap: D.

• «Organik»i «doğal» sanmak. Kimyadaki ölçüt kaynak değil yapıdır; fabrikada üretilen polietilen organik, doğada bulunan kalsit (CaCO₃) anorganiktir.
• Karbon içeren her bileşiği organik saymak. CO, CO₂, H₂CO₃, karbonatlar, bikarbonatlar, siyanürler, siyanatlar ve karbürler anorganik kabul edilir.
• Bağ sayısını yalnız hidrojenle yapmak. İkili bağ iki, üçlü bağ üç bağ sayılır; karbon başına toplam dörde tamamlanmalıdır. Aşan formül geçersizdir.
• Yarı açıktan kapalıya geçerken hidrojen kaçırmak. OH, yan dal ya da çift bağlı uçtaki hidrojenler de sayılır; CH₃–CH₂–OH, C₂H₅O değil C₂H₆O'dur.
• Karbon sınıfını hidrojen sayısından okumak. CH₃ çoğu zaman birincildir ama ölçüt bağlı olunan karbon sayısıdır; bir yan dalın bağlandığı CH, üç karbona bağlıysa üçüncüldür.
• Yanmada suyun molünü hidrojen molüne eşitlemek ya da bileşiğin kendi oksijenini unutmak. Su molü y/2'dir; gereken O₂ molü x + y/4 − z/2'dir.