Konu anlatımı
Su, molekül kütlesi kendisine yakın olan pek çok maddeden çok daha yüksek bir sıcaklıkta kaynar. Bu durumun nedeni, su molekülleri arasındaki özel ve görece güçlü bir zayıf etkileşimdir: hidrojen bağı. Bu alt başlıkta hidrojen bağının nasıl oluştuğunu ve maddelerin fiziksel özelliklerini nasıl etkilediğini göreceksin.
Hidrojen bağının oluşumu
Hidrojen bağı, flor, oksijen ya da azot atomuna kovalent bağla bağlı bir hidrojen atomu ile başka bir moleküldeki flor, oksijen ya da azot atomunun ortaklanmamış elektron çifti arasında oluşur. Bu üç element çok elektronegatif olduğu için bağlı oldukları hidrojenin kısmi pozitif yükü büyüktür. Hidrojen florür, su, amonyak, metanol ve etil alkol gibi alkoller ve asetik asit, molekülleri arasında hidrojen bağı kurar. Farklı moleküller arasında da hidrojen bağı oluşabilir: su ile amonyak ya da su ile etil alkol arasında hidrojen bağı vardır. Metan, hidrojen klorür ve hidrojen sülfürde hidrojen flor, oksijen ya da azota bağlı olmadığı için moleküller arasında hidrojen bağı yoktur. Hidrojen bağı, benzer büyüklükteki moleküller arasındaki zayıf etkileşimlerin genellikle en güçlüsüdür.
Kaynama noktası serileri
Aynı grubun hidrojenli bileşiklerinin kaynama noktaları molekül büyüdükçe genellikle yükselir, çünkü London kuvvetleri güçlenir. 4A grubunun hidrojenli bileşiklerinde bu düzenli artış görülür. 5A, 6A ve 7A gruplarında ise grubun ilk üyesi olan amonyak, su ve hidrojen florür, hidrojen bağları nedeniyle beklenenden çok daha yüksek sıcaklıkta kaynar. 1 atm basınçta suyun kaynama noktası 100 °C iken hidrojen sülfürünki yaklaşık −60 °C; hidrojen florürünki yaklaşık 20 °C iken hidrojen klorürünki yaklaşık −85 °C olur. Su molekülü iki hidrojeni ve iki ortaklanmamış çiftiyle daha fazla hidrojen bağı kurabildiği için suyun kaynama noktası hidrojen florürünkinden de yüksektir.
Buz, su ve DNA
Su donarken moleküller hidrojen bağlarıyla düzenli ve arası boşluklu bir yapı oluşturur. Bu yüzden buzun özkütlesi sıvı sudan küçüktür; buz suda yüzer ve göller yüzeyden donarak altındaki canlıları korur. DNA molekülünün iki zinciri de karşılıklı bazlar arasındaki hidrojen bağlarıyla bir arada durur. Türk bilim insanı Aziz Sancar, DNA'daki hasarların hücrede nasıl onarıldığını aydınlatan çalışmalarıyla 2015 Nobel Kimya Ödülü'nü paylaşmıştır; bu başarı sabırlı, azimli ve kararlı bilimsel çalışmanın güzel bir örneğidir.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. 6A grubunun hidrojenli bileşiklerinden H₂O, H₂S, H₂Se ve H₂Te maddelerinin kaynama noktaları molekül büyüklüğüne karşı çiziliyor. Grafikte suyun yeri neden düzenin dışında kalır?
Çözüm. H₂S molekülünden H₂Te molekülüne doğru elektron sayısı arttığı için London kuvvetleri güçlenir ve kaynama noktası düzenli olarak yükselir. Su en küçük molekül olduğu hâlde moleküllerinde oksijene bağlı hidrojenler bulunur ve moleküller arasında hidrojen bağları oluşur. Bu bağları yenmek için ek enerji gerektiğinden su, serinin bütün üyelerinden daha yüksek sıcaklıkta kaynar ve grafikte beklenen eğilimin çok üstünde kalır.
Örnek 2. Su ile etil alkol her oranda karışır. Bu karışmada hangi etkileşimler rol oynar?
Çözüm. Su ve etil alkol moleküllerinin her ikisinde de oksijene bağlı hidrojen atomları ve oksijen üzerinde ortaklanmamış çiftler bulunur. Bu yüzden su ile alkol molekülleri birbirleriyle hidrojen bağı kurabilir. Moleküller arasında saf maddelerdekine benzer güçte yeni hidrojen bağları oluştuğu için iki sıvı her oranda karışır. Bunun yanında dipol-dipol ve London etkileşimleri de bulunur.
Sık yapılan hatalar
- Hidrojen bağını molekül içindeki O–H kovalent bağı sanmak; hidrojen bağı moleküller arasındaki zayıf etkileşimdir.
- Hidrojen klorürde hidrojen bağı olduğunu düşünmek; hidrojen bağı için F, O ya da N gerekir.
- Kaynama sırasında hidrojen bağlarıyla birlikte O–H bağlarının da koptuğunu sanmak.
- Hidrojen bağı, flor, oksijen ya da azota bağlı hidrojen ile başka bir flor, oksijen ya da azot atomunun ortaklanmamış çifti arasındaki çekimdir.
- Amonyak, su ve hidrojen florür gruplarında beklenenden yüksek sıcaklıkta kaynar.
- Buz suda yüzer; DNA zincirleri hidrojen bağlarıyla bir arada durur.