9. Sınıf Kimya Moleküller Arası Etkileşimler Konu Anlatımı

Rehberli anlatımda söylenen yönlendirmeler dâhil tam metin. Düşünme araları sessizdir.

1. Giriş

   Birlikte düşünelim. Bir su molekülünün içindeki O–H bağı ile iki su molekülü arasındaki çekim aynı şey değildir. Bu ayrımı kurduğunda buharlaşma, kaynama ve molekül polarlığı soruları çok daha anlamlı hâle gelir. Önce tek taneciğin yapısını inceleyeceğiz, sonra komşu tanecikle nasıl etkileştiğini soracağız. Son adımda bir tablo veya deney kaydının gerçekten neyi kanıtladığını kontrol edeceğiz. Buradaki karşılaştırmalar kâğıt üzerinde verilen model ve hazır verilerdir; maddeleri koklama, tatma, karıştırma ya da ısıtma görevi değildir.

2. Ayrıntılı anlatım

   London kuvvetleri: apolar demek etkileşimsiz demek değildir. Elektron bulutu her anda kusursuz simetrik kalmaz. Bir tanecikteki anlık elektron dağılımı dengesizliği komşu taneciğin elektron bulutunu etkileyebilir; indüklenmiş dipollerle ilişkilendirilen çekim London kuvveti olarak adlandırılır. Bir molekülün kalıcı dipolü olmasa da bu etkileşim mümkündür. Soy gaz atomları ve apolar moleküller uygun düşük sıcaklık ve basınç koşullarında yoğun faz oluşturabilir. Bunu açıklamak için soy gazların mutlaka kovalent bağ yapmaya başladığını varsaymamız gerekmez. Anlık dipol ile kalıcı dipol aynı kavram değildir. London katkısı yalnız apolar moleküllerle sınırlı değildir; polar moleküllerde de elektron bulutu bulunduğundan London etkileşimleri vardır. Sorularda bazen baskın veya ayırt edici etkileşim sorulur. Polar bir maddede dipol-dipol demek, London katkısı hiç yok demek değildir. İki farklı soruyu ayır: Hangi etkileşimler bulunabilir? Verilen benzer maddeler arasındaki farkı en iyi hangi etkileşim açıklar? Birinci soruda birden fazla tür sayılabilir; ikinci soruda belirli karşılaştırmanın koşullarını kullanman gerekir. Elektron bulutunun kolay biçim değiştirebilmesi polarize olabilirlik olarak düşünülür. Benzer türdeki apolar taneciklerde daha kolay kutuplaşan büyük elektron bulutu daha güçlü London çekimini destekler. Molekülün şekli ve temas yüzeyi de önemlidir. Bu yüzden yalnız mol kütlesine bakarak bütün maddeler için kesin kaynama sırası yazılmaz. Soruda benzer şekil ve yalnız London katkısı koşulu verilmişse büyüklük karşılaştırması anlamlı olur. Koşullar farklıysa yapı, diğer etkileşimler ve basınç bilgisini de değerlendir. Örnek: P ve R, benzer şekilli apolar molekül modelleridir. R elektron bulutunun P ye göre daha kolay kutuplaştığı belirtiliyor. Diğer ilgili koşullar aynıysa R için daha güçlü London çekimi beklenir. P apolar olduğu için hiç çekim yoktur demek yanlıştır; karşılaştırma sıfır ile var olanı değil, iki farklı çekim düzeyini anlatır. Polar HCl molekülleri için London kuvvetleri yoktur ifadesi doğru mudur? Hayır. HCl nin elektron bulutu London katkısına da izin verir. Kalıcı dipoller arasındaki çekim buna ek bir etkileşimdir; bir türün varlığı diğerini silmez. Sık hata: Apolar moleküllerin elektronları yoktur ya da aralarında çekim oluşmaz deme. Apolarlık kalıcı toplam dipolün bulunmamasıdır; geçici elektron dağılımını ortadan kaldırmaz.

3. Ayrıntılı anlatım

   Dipol-dipol: kalıcı kısmi yükler ve yönlenme. Polar molekülün elektron yoğunluğu ve geometrisi sonucunda bir tarafı kısmen pozitif, diğer tarafı kısmen negatif olabilir. Komşu polar moleküllerin zıt kısmi yüklü tarafları uygun yönelimde birbirini çeker. Bu dipol-dipol etkileşimidir. Molekül üzerinde kısmi yük yazmak onu tek atomlu tam yüklü bir iyon hâline getirmez. HCl molekülü için H tarafının δ+ ve Cl tarafının δ− olmasıyla, çözeltideki bağımsız Na+ iyonunun tam yükü farklı modellerdir. Taneciğin kim olduğunu belirlemeden etkileşime ad verme. Moleküller sıvıda hareket eder ve yönelimleri değişebilir; dipol-dipol modelindeki uygun yönelim, bütün moleküllerin sonsuza kadar tek sıra hâlinde kilitlendiği anlamına gelmez. Zıt kısmi uçların yakınlaşması çekimi, aynı işaretli uçların karşılaşması itmeyi gösterir. Bir molekülün içindeki polar kovalent bağ ile iki molekül arasındaki dipol-dipol çekimini çizimde farklı bağlantılarla ayır. Moleküller arası kesikli çizgi, yeni bir kovalent bağ çizgisi gibi sayılmamalıdır. Bağ polarlığı ile molekül polarlığını yeniden kontrol et. CO2 doğrusal ve bağ etkileri dengelenmiş bir molekül olarak verildiğinde apolardır; kendi molekülleri arasında kalıcı dipol-dipol katkısı beklenmez, London katkısı vardır. H2O açısal ve polar olarak verilir. Bir polar molekül apolar komşusunun elektron bulutunu etkilerse bu dipol-indüklenmiş dipol diye ayrılan başka bir durumdur. Bu paketin ana testleri London, kalıcı dipol, hidrojen bağı ve kaynama ilişkisine odaklanır; bütün tanecik çiftleri sınıflandırmasının tamamlandığını söylemiyoruz. Örnek: İki HCl molekülünü yan yana düşün. Birinin kısmen pozitif H ucu, ötekinin kısmen negatif Cl ucuna yaklaştırıldığında çekim uygun biçimde temsil edilir. Aynı iki molekülün Cl uçlarını karşı karşıya çizmek, çekimi en iyi gösteren düzen değildir. Moleküllerin içindeki H–Cl bağları bu karşılaştırmada korunur. Doğrusal ve apolar CO2 ile polar HCl için saf örneklerde ayırt edici kalıcı dipol katkısı hangisinde beklenir? HCl molekülleri arasında beklenir. CO2 nin C–O bağları polar olsa da belirtilen doğrusal geometride bütün molekül apolardır. İkisinde de London katkısı bulunabilir. Sık hata: Kalıcı dipolü bir saniyelik anlık elektron dalgalanmasıyla eşitleme. Ayrıca aynı moleküldeki polar bağa dipol-dipol adı verme; etkileşen iki ayrı molekülü göster.

4. Ayrıntılı anlatım

   Hidrojen bağı: uygun bağ ve uygun elektron çifti. Bu düzeyde hidrojen bağı için iki tarafı birlikte ararız: F, O veya N atomuna doğrudan bağlı bir H ile komşu yapıdaki uygun F, O veya N üzerinde ortaklanmamış elektron çifti. Suyun O–H bağındaki H, başka bir suyun oksijenindeki uygun çifte yönelerek hidrojen bağı kurabilir. Su molekülünün kendi O–H bağı kovalenttir; komşu suyla kurduğu hidrojen bağıyla aynı bağ değildir. Adında hidrojen geçmesi, yapısında H bulunan her molekülün bu etkileşimi göstereceği anlamına gelmez. CH4 molekülündeki H atomları karbona bağlıdır. Bu nedenle saf metan için bu dersin F, O, N ölçütüne dayalı hidrojen bağı ağı beklemeyiz. NH3 te H atomları N ye bağlıdır ve N de uygun ortaklanmamış çift bulunur; saf amonyakta hidrojen bağı mümkündür. HF ve H2O da bu ölçüte uyar. Bir seçenekte yalnız oksijen atomunun bulunması yeterli değildir: H nin nereye bağlı olduğunu ve ikinci moleküldeki alıcı çifti ayrı ayrı kontrol et. Saf madde ile karışımı ayırmak önemli bir ileri uygulamadır. Yapısı CH3–O–CH3 olarak verilen molekülde oksijen ortaklanmamış çift taşır ama O ya bağlı H yoktur. Bu tür moleküller kendi aralarında hidrojen bağı vericisi sağlayamaz. Su eklendiğinde suyun O–H grubundaki H ile bu oksijenin uygun çifti arasında hidrojen bağı kurulabilir. Demek ki saf hâlde kendi molekülleri arasında kuramaması, suyla da hiçbir koşulda kuramayacağı anlamına gelmez. Burada maddenin adını ezberlemen değil, verilen bağlantı yapısını okuman beklenir. Örnek: Üç bağlantı kaydı var: CH3–CH3, CH3–O–CH3 ve CH3–OH. İlkinde uygun O, N, F yoktur. İkincisinde alıcı oksijen bulunur ama O–H vericisi yoktur. Üçüncüsünde hem O–H hem oksijen çifti bulunduğu için kendi molekülleri arasında hidrojen bağı kurulabilir. Kararı toplam H sayısı değil, H nin bağlı olduğu atom verir. Yapısı CH3–O–CH3 olan bir molekül suyla hidrojen bağı kurabilir mi? Gerekçende iki tarafı göster. Evet. Su, O–H grubundaki H ile verici olabilir; verilen molekülün oksijenindeki uygun ortaklanmamış çift alıcı olur. Saf örneğin kendi aralarında verici bulamaması bu durumu engellemez. Sık hata: Molekül içindeki O–H kovalent bağını hidrojen bağı diye adlandırma. Suyun kaynaması, suyu kendiliğinden hidrojen ve oksijen gazlarına ayırmak değildir.

5. Ayrıntılı anlatım

   Kaynama: etkileşim kadar dış basıncı da kontrol et. Sıvıdan gaz fazına geçen moleküllerin birbirinden uzaklaşması için moleküller arası çekimin etkisi aşılır. Bu fiziksel değişim sırasında molekülün içindeki atomların bağları zorunlu olarak parçalanmaz. Su buharında da H2O molekülleri vardır. Benzer büyüklük ve yapıda maddeleri aynı dış basınçta karşılaştırırken daha güçlü moleküller arası çekim genellikle daha yüksek kaynama sıcaklığıyla ilişkilidir. Bu koşulu atlayıp hidrojen bağı olan her madde bütün diğer maddelerden daha yüksek sıcaklıkta kaynar demek yanlış bir genellemedir. Kaynama, sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıkla ilişkilidir. Dış basınç azalırsa bu eşitlik daha düşük sıcaklıkta sağlanabilir. Aynı saf suyun farklı yüksekliklerde aynı sıcaklıkta kaynamak zorunda olmaması molekülünün değiştiğini göstermez. Hazır bir tabloda sıcaklık yükseldikçe buhar basıncı artıyorsa, verilen dış basınca karşılık gelen satırı bul. Soruda 80 kPa dış basınç yazarken alışkanlıkla 100 kPa satırını seçmek, maddeyi değil koşulu yanlış okumaktır. Kapalı kapta sıvı ve buhar birlikte dengedeyken, aynı saf sıvının sabit sıcaklıktaki denge buhar basıncı yüzey alanıyla veya sıvı miktarıyla gelişigüzel artmaz; yeterli sıvının kalması koşulu önemlidir. Yüzey alanı dengeye ulaşma hızını etkileyebilir. Bu ayrıntı, daha hızlı buharlaşma ile daha yüksek denge basıncını karıştırmamak içindir. Bu ders uçuculuk ve kaynama için seçilmiş kanıtları işler; bütün sıvı özelliklerini, çözeltilerin etkilerini veya ayrıntılı termodinamik hesabı kapsamaz. Örnek: Bir saf sıvının hazır tablosunda 60 °C için 50 kPa, 70 °C için 80 kPa ve 80 °C için 100 kPa buhar basıncı veriliyor. Dış basınç 80 kPa ise eşitlik 70 °C satırında sağlanır. Dış basınç 100 kPa yapılınca 80 °C gerekir. Aynı sıvı için farklı sonuçlar maddenin kimliğinden değil, dış koşuldan kaynaklanır. Aynı saf sıvının dış basıncı düşürülüyor. Molekül yapısı değişmeden kaynama sıcaklığı düşebilir mi? Evet. Buhar basıncının daha küçük dış basınca ulaşması daha düşük sıcaklıkta mümkün olur. Bu, molekül içi bağların zayıflayıp başka madde oluştuğu anlamına gelmez. Sık hata: Kaynama sıcaklığını basınçtan bağımsız tek sabit sayı gibi kullanma. Daha büyük sıvı miktarını daha yüksek kaynama sıcaklığının tek nedeni sayma; ısınma süresi ayrı bir niceliktir.

6. Ayrıntılı anlatım

   Kanıtı sınırlı yorumla ve yanlış gerekçeyi düzelt. Bir kaynama karşılaştırmasında önce hangi koşulların aynı olduğunu işaretle. Basınç farklıysa gözlenen sıcaklık farkını yalnız moleküller arası çekime bağlayamazsın. Maddelerin büyüklükleri ve şekilleri de çok farklıysa tek bir etkileşim adından bütün sıralamayı çıkarma. Verilen iki açıklamadan biri gözlemi tekrar ediyor, diğeri neden-sonuç kuruyorsa gerekçeyi ara: Daha yüksek kaynıyor çünkü kaynama sıcaklığı daha yüksek cümlesi mekanizma açıklamaz. Hangi çekimin ve hangi koşulun rol oynadığını söylemek gerekir. Bir tabloda hidrojen bağı kurmayan büyük bir apolar taneciğin küçük bir polar tanecikten daha yüksek kaynama sıcaklığı olduğu belirtilirse veriyi reddetme. Büyük ve kolay kutuplaşan elektron bulutunun London katkısı önemli olabilir. Bu örnekten London her zaman en güçlüdür sonucunu da çıkarma. Doğru ders, kaba bir etiket sıralamasının bütün maddeler için yeterli olmadığıdır. Aynı şekilde polar bir maddenin içindeki London katkısını silmek, toplam çekimin bir bölümünü yok saymaktır. Öğrenmeni kontrol etmek için her sorudan sonra iki kısa cümle yaz: Etkileşen tanecikler şunlardır; kararımı destekleyen koşul şudur. Hidrojen bağı sorusunda H nin bağlı olduğu atomu, kaynama sorusunda dış basıncı, London sorusunda elektron bulutunun özelliklerini görünür kıl. Yanlışının gerekçesinde bulunmayan bir niceliği uydurma. Bu paket evde kimyasal deney önermez ve bütün 9. sınıf kimya kapsamını bitirdiğini söylemez. Seçilmiş iki dersteki kavramları birbirine bağlamak ve açıklamasıyla yanlışı düzeltmek için hazırlanmıştır. Örnek: İki rapor farklı sıvıların kaynama sıcaklığını veriyor; biri yüksek basınçta, diğeri düşük basınçta ölçülmüş. Önce basınçları eşitleyen yeni bir karşılaştırma istenir. Böylece madde türünün etkisi ile dış basınç etkisi birbirinden ayrılır. Eksik kontrolü görmek, doğrudan bir maddeyi daha güçlü ilan etmekten daha doğru bir bilimsel yanıttır. Bir öğrenci suyun buharlaşmasını O–H bağlarının kopması diye açıklıyor. Hangi iki düzeyi ayırarak düzeltirsin? Tek H2O içindeki kovalent O–H bağlarını, farklı H2O molekülleri arasındaki çekimlerden ayırırım. Buharlaşmada moleküller uzaklaşır; her su molekülünün hidrojen ve oksijene ayrılması gerekmez. Sık hata: Bütün polar maddeler bütün apolar maddelerden daha yüksek kaynar gibi sınırsız kurallar kurma. Bir karşı örnek belirli genellemeyi çürütür; ters yönde başka bir sınırsız kuralı kanıtlamaz.