SU VE KİMYASAL BAĞLAR

SU VE KİMYASAL BAĞLAR
Yrd. Doç. Dr. Osman İBİŞ
Kimyasal Bağlar ve Çeşitleri Nelerdir?
• Kimyasal bağ, çekirdekteki atomları bir arada tutan
kuvvettir. İki ya da daha fazla atom arasında elektron
alışverişi veya ortak kullanımı ile kimyasal bağlar
oluşmaktadır.
• Atomlar tek başına bulundukları zamankinden daha
düşük enerjili duruma (daha kararlı) erişmek için bir
araya gelirler ve kimyasal bağlar sayesinde atomlar bir
arada, düzenli olarak belli bir geometri oluştururlar.
• Bu geometriyi oluştururken amaç elektron dizilişlerini
soy gazlara benzetmeye çalışmaktır. Birçok fiziksel
özellik elektriksel bağların cinsine bağlıdır ve bu
kimyasal bağlar ile farklı maddeler meydana
gelmektedir. Kimyasal bağın kuvvetli olması sertliğini ve
erime noktasını yükseltir.
Atomlar Neden Soygazlara Benzemek İsterler?
• Soygazlar kararlı bir yapıya sahiptir ve elektron alıp
verme eğilimleri yoktur. Yani denge halindedirler ve en
dış elektron kabukları tamamen elektronlarla doludur.
• Periyodik cetvelin en kararlı grubu olmalarından dolayı
diğer bütün elementler soygazlara benzeyebilmek için
elektron alışverişi veya ortak kullanımına girerler.
Elementin, son yörüngesinde 2 elektron bulunan He
(helyum) soygazına benzemek istemesi dublete(2’ye)
varmasıdır. Diğer son yörüngelerinde 8 elektron
bulunan soygazlara benzemek istemesi ise oktede (8’e)
varmasıdır. Soygazların kararlı olması ve boş
orbitallerinin bulunmaması normal şartlarda onlara bağ
yapma özelliği vermez.
• İyonik bağı yapan atomlardan
elektron veren (+) yüklü, elektron
alan (–) yüklü iyon olur ve zıt
çekim kuvveti iyonları bir kristal
içinde tutar. Bu kuvvetli çekim
iyonik bağlı bileşikleri ayrıştırmayı
zorlaştırır.
• Atomlardan biri, elektron kaybedip
pozitif yüklü iyona dönüşürken,
diğer atom elektron kazanıp
negatif yüklü iyonu oluşturur. Son
durumda kaybedilen ve kazanılan
elektron sayıları eşit olmaktadır.
• Atomlardan elektron kaybı sonucu oluşan
pozitif (+) iyonlara katyon; elektron kazanarak
oluşan negatif (-) iyonlara ise anyon
denilmektedir.
• Bazı ametal atomlarının atomları kendi
aralarında kararlı yapıya ulaşmak için son
yörüngedeki
bazı
elektronlarını
ortak
kullanırlar. Ortaklaşa kullanılarak oluşturulan
bağa kovalent bağ ve oluşan bileşiklere
kovalent bağlı bileşikler denir. Kovalent
bağların oluşması sırasında herhangi bir
elektron aktarımı gerçekleşmez.
• Örneğin, C, N, S, F, Cl, Br, I, O ve H
elementlerinin kendi aralarında oluşturdukları
bileşikler kovalent bağlı bileşiklerdir.
• Kovalent
bağlı
bileşikleri
apolar
kovalent ve
polar
kovalent
bağ olmak
üzere ikiye
ayırırız.
İki atomun elektron çekme
yetenekleri arasındaki farkın
büyüklüğü arttıkça kimyasal
bağ daha polar hale
gelmektedir.
• Metallerde değerlik (valens) elektronlar, atom
çekirdekleri tarafından kuvvetli tutulmazlar.
Bunun sebebi metallerin iyonlaşma enerjilerinin
ve
elektronegatifliklerinin
oldukça
düşük
olmasıdır. Böylece metal atomlarının en dış
elektronları nispeten gevşek tutulmaktadır. Bu
bağ metal atomlarının değerlik elektronlarını bir
elektron bulutuna vermesi ile oluşan bağdır ve bu
şekilde
elektronlar
serbestçe
hareket
edebilmektedirler. Bu da metallerde yüksek ısı ve
elektrik iletkenliğine sebep olur.
• İyonlaşma enerjisi azaldıkça metalik bağlar
zayıflamakta ve değerlik elektronları sayısı artıkça
metalik bağ kuvveti artmaktadır.
SU
• Canlı sistemlerin en önemli maddesi olan su
organizmaların çoğunun ağırlığının %70 veya
daha
fazlasını
oluşturur.
İlk
canlı
organizmaların sulu bir ortamda oluştuğuna
şüphe yoktur ve evrim süreci, hayatın başladığı
sulu ortamın özellikleri doğrultusunda
şekillenmiştir.
• Su molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri ve
suyun az da olsa iyanlaşmaya olan eğilimi
biyomoleküllerin
yapı
ve
görevlerinin
oluşmasında büyük öneme sahiptir.
• Su molekülü ve bunun iyonizasyon ürünleri
olan H+ ve OH- proteinleri, nükleik asitleri ve
lipitleri de içerisine alan hücresel bileşenlerin
yapılarını, kendiliğinden bir araya gelmelerini
ve özelliklerini derinden etkiler.
• Biyomoleküllerin "tanınma" özgüllüğünden ve
gücünden
sorumlu
olan
nonkovalent
etkileşimlere suyun çözücü özelliği yön verir.
Sulu Sistemlerdeki Zayıf Etkileşimler
• Su molekülleri arasındaki hidrojen bağları, suyu oda
sıcaklığında sıvı halde tutan ve kristal haldeki su
(buz)'da olduğu gibi molekülleri çok düzenli bir
halde bulunduran kohesif (bağlayıcı) kuvvetleri
oluşturur.
• Polar yapıdaki biyomoleküller suda çabucak
çözünür, çünkü bunlar su-su etkileşmeleri yerine
enerji bakımından daha uygun olan su-katı
etkileşmelerini koyarlar.
• Polar olmayan biyomoleküller ise, su-su
etkileşimlerini engellerler ancak, su-katı etkileşimi
oluşturamadıklarından suda çok zayıf çözünürlük
gösterirler.
• Polar olmayan moleküller sulu çözeltilerde bir
araya
gelerek
kümeler
oluşturma
eğilimindedir.
• Hidrojen bağları, iyonik bağlar, hidrofobik
(Yunanca, "sudan korkan") ve Van der Waals
etkileşimleri tek tek zayıf etkileşimlerdir, ancak
birlikte
proteinlerin,
nükleik
asitlerin,
polisakkaritlerin ve zar lipitlerinin üç-boyutlu
yapılan üzerinde çok belirgin etkileri vardır.
Hidrojen Bağı Suya Olağan Dışı
Özelliklerini Kazandırır
• Suyun erime, kaynama ve buharlaşma sıcaklığı
diğer çözücülerin çoğundan daha fazladır
(Tablo 4.1).
• Bu az rastlanan özellikler, sıvı suya büyük iç
kohezyon kuvvetleri sağlayan, bitişik su
molekülleri arasındaki çekimlerin sonucudur.
H20 molekülünün elektron yapısı bu
moleküller arası çekimlerin nedenini ortaya
koyar.
• Su
molekülünün
hidrojen atomlarından
her
biri
oksijen
atomuyla bir elektron
çiftini
paylaşır.
Molekülün geometrisi
karbonun
bağlanma
orbitaline
benzerlik
gösteren, oksijenin dış
elektron orbitallerinin
şekliyle saptanır. (Şek.
3-4'e bkz.)
Su Polar Katılarla Hidrojen Bağları
Oluşturur
• Hidrojen bağları sadece su moleküllerinde
bulunmaz; bir elektronegatif atomla(genellikle
bir çift elektron taşıyan oksijen veya azot gibi
bir hidrojen alıcısıyla) ve aynı molekülün veya
komşu molekülün kovalent bağlanmış bir diğer
elektronegatif atomunun (hidrojen vericisi)
hidrojeniyle kolayca oluşabilir (Şek. 4-3).
• Karbon atomlarına kovalent olarak bağlammış
hidrojen atomları (elektronegatif değildir)
hidrojen bağlarında yer almaz.
• Şeker gibi yüksüz ancak polar olan
biyomoleküllerin
suda
kolayca
çözünebilmelerinin nedeni, şekerin hidroksil
veya karbonil gruplarıyla polar su molekülleri
arasında kurulan kararlı hidrojen bağlandır.
• Alkoller, aldehitler, ketonlar ve N- H bağları
taşıyan bileşikler suyla hidrojen bağları
oluşturduklarından
suda
çözünmeye
eğilimlidir (Şek. 4-4).
Su Yüklü Katılarla Elektrostatik Olarak
Etkileşir
• Su polar bir çözücüdür, genellikle yüklü veya
polar bileşikler biyomoleküllerin çoğunu çözer
(Tablo
4-2);
suda
kolayca
çözünen
biyomoleküllere hidrofilik (Yunanca, "suyu
seven") moleküller denirken, kloroform ve
benzen gibi polar olmayan çözücüler polar
biyomoleküller için çok zayıf çözücüdür, ancak
yağlar ve mumlar gibi polar olmayan
hidrofobik molekülleri kolayca çözer.
• Su NaCl gibi tuzları su katarak ve Na+ ve Cliyonlarını sabitleyerek, aralarındaki çekim
kuvvetlerini azaltarak ve bir araya gelip kristal
oluşturmalarını önleyerek çözer (Şek 4-6). Aynı
usurlar yüklü biyomoleküllere, iyonize karboksilik
asitlere ( -COO-), protonlaşmış aminlere (-NH3) ve
fosfat esterleri ya da anhidritler gibi işlevsel
gruplara sahip olan bileşiklere uyarlanır.
• Su böyle bileşikleri, katı molekülleri arasındaki
elektrostatik etkileşimleri azaltarak, katı-katı
hidrojen bağların katı-su hidrojen bağlarıyla yer
değiştirerek, hemen çözer.
Şekil 4-6: Su birçok kristal tuzunu yapısındaki iyonları hidrate ederek
çözer. NaCl'ün kristal yapısı su moleküllerinin Cl- ve Na- iyonları etrafında
kümeleşmeleri ile bozulur. İyonik yükler kısmen nötralize edilir ve kristal
yapı oluşturmak için gerekli olan elektrostatik çekişler zayıflatılır.
Kristal Maddeler Çözünürken Entropi
Yükselir
• NaCl gibi bir tuz çözünürken kristal yapıdan
ayrılan Na+ ve Cl iyonları daha büyük bir
hareket özgürlüğü kazanırlar (Şek. 4-6).
Sistemin entropisindeki (düzensizliğindeki)
artışla sonlanmadan sorumlu olan tuzların,
suda NaCl gibi, kolayca çözünmesidir.
Polar Olmayan Gazlar Suda Çok Az
Çözünür
• Biyolojik olarak önemli olan CO2, O2 ve N2
gibi gazlar polar değildir. O2 ve N2'de
elektronlar her iki atom tarafından eşit olarak
paylaşılmıştır. CO2'de her bir C=O bağı
polardır, fakat iki dipol zıt yönlerdedir ve
birbirlerini iptal ederler (Tablo 4-3).
Polar Olmayan Bileşikler Suyun Yapısını
Enerjetik Olarak
Uygun Olmayan Değişikliklere Zorlar
• Su, benzen veya hekzanla karıştırılacak olursa
iki faz oluşur; iki sıvı birbirinde çözünmez.
Benzen ve hekzan gibi polar olmayan bileşikler
hidrofobiktir su molekülleriyle uygun enerji
şekilleri oluşturacak etkileşimiere giremezler
ve aslında bu moleküller su molekülleri
arasında hidrojen bağı oluşmasına engel
olurlar.
Van der Waals Etkileşimleri
Atomlararası Zayıf Çekimlerdir
Zayıf Etkileşimler Makromolekül Yapısı
ve işlevi için Çok
Önemlidir