Molekül Polarlığı ve Apolarlığı
İlk uçurtmanın Çin'de kullanıldığı ve buradan Güneydoğu Asya ile Pasifik'teki adalara yayıldığı bilinmektedir; Avrupa ise 13. yüzyılda Marco Polo ve adamları sayesinde uçurtmalarla tanışmıştır. 18. yüzyılda fizikçi ve meteorologlar bilimsel çalışmalarında uçurtmaları kullanmış, günümüzde ise küresel ısınma ve iklim değişikliği konularında uçurtmalar yardımıyla nem oranı ve sıcaklık değişimlerinin düşük maliyetli ölçümleri yapılabilmektedir. Uçurtmalar farklı yapıda olmalarına rağmen genellikle simetriktir; benzer şekilde maddenin en küçük yapı taşlarından olan moleküllerin simetrik olup olmaması da onlara önemli özellikler kazandırır.
Molekül Polarlığını Belirleyen Etmenler
Bazı elementler ve kovalent bağlı bileşikler moleküler yapıdadır; moleküllerin oluşumunda polar ya da apolar kovalent bağlar etkilidir. Molekülü oluşturan atomları bir arada tutan bağların polarlığı, molekülün genel polarlığını doğrudan etkiler.
Dipol moment, molekülün kutupsallığının ölçüsüdür. Merkez atomu üzerinde ortaklanmamış elektron çifti bulunan moleküllerde yük dağılımı dengede değildir ve molekülün dipol momenti sıfırdan farklıdır. Merkez atomu üzerinde ortaklanmamış elektron çifti bulunmayan ve yük dağılımı dengede olan moleküllerde ise dipol moment sıfırdır. Dipol momenti sıfır olan moleküller apolar, dipol momenti sıfırdan farklı olan moleküller ise polar olarak adlandırılır.
Apolar Moleküller
Bir element molekülünde (H₂, F₂, N₂, O₂ gibi) atomları bir arada tutan kuvvet apolar kovalent bağdır. Apolar kovalent bağ içeren moleküllerde ortak kullanılan elektronlar atomlar tarafından eşit kuvvetle çekildiğinden molekülde elektron yük dağılımı dengelidir; kalıcı negatif ve pozitif kutuplar oluşmaz, molekülün dipol momenti sıfır olur ve molekül apolardır.
Ancak apolarlık yalnızca aynı elementin atomlarından oluşan moleküllerle sınırlı değildir: bileşiklerde de, molekülün geometrik simetrisi nedeniyle bağların polarlıkları birbirini dengeleyebilir. Örneğin CF₄ (karbon tetraflorür) ve CCl₄ (karbon tetraklorür) moleküllerinde C-F ve C-Cl bağları tek tek polar olsa da, merkez atom olan karbonun üzerinde ortaklanmamış elektron çifti bulunmadığından ve dört bağ molekül etrafına simetrik olarak dağıldığından bu bağ polarlıkları birbirini dengeler ve molekülün toplam dipol momenti sıfır olur; her iki molekül de apolardır. Benzer şekilde CO₂ (karbon dioksit) molekülünde de karbon merkez atomunun her iki tarafındaki C=O bağları simetrik olarak zıt yönlere baktığından bağ polarlıkları birbirini götürür ve molekül apolardır. CS₂ (karbon disülfür) de aynı doğrusal simetri nedeniyle apolar bir moleküldür.
Polar Moleküller
Bir molekülde elektron yük dağılımı dengeli değilse ve elektronlar molekülün bir tarafında daha yoğun bir şekilde bulunuyorsa, molekülün o tarafı kalıcı negatif kutup, diğer tarafı ise kalıcı pozitif kutup oluşturur. Bu durumda molekülün dipol momenti sıfırdan farklıdır ve molekül polardır.
Örneğin su molekülünde (H₂O) merkez atom olan oksijendeki ortaklanmamış elektron çiftleri, bağ yapan diğer elektronları iter; bunun yanı sıra oksijen ile hidrojen atomlarının elektronegatiflik değerlerindeki farklılık nedeniyle molekülde bir kutuplanma meydana gelir ve molekül polar olur. Su molekülünde oksijen tarafı kısmen negatif (δ⁻), hidrojen tarafı ise kısmen pozitif (δ⁺) yüklüdür. Benzer şekilde HF molekülü de polar bir moleküldür, çünkü flor ile hidrojen arasındaki elektronegatiflik farkı büyüktür ve molekülün simetrik olmayan yapısı nedeniyle bu polarlık dengelenmez. NH₃ (amonyak) molekülünde de merkez atom olan azotun üzerinde bir ortaklanmamış elektron çifti bulunur; bu çift üç N-H bağını simetrik olmayan bir şekilde iter ve molekül polar olur.
Merkez atomunda ortaklanmamış elektron çifti bulunan diğer bazı moleküller de bu şekilde polar yapıdadır: NCl₃ molekülünde azot üzerindeki ortaklanmamış çift, H₂S molekülünde kükürt üzerindeki iki ortaklanmamış çift, PH₃ ve PF₃ moleküllerinde fosfor üzerindeki ortaklanmamış çift, molekülün simetrisini bozarak polarlık oluşturur. HBr molekülü ise merkez atom kavramı olmayan iki atomlu bir molekül olduğundan, hidrojen ile brom arasındaki elektronegatiflik farkı nedeniyle doğrudan polardır. Buna karşılık BH₃ molekülünde bor merkez atomunun üzerinde ortaklanmamış elektron çifti yoktur ve üç B-H bağı molekül etrafına simetrik dağıldığından BH₃ apolar bir moleküldür.
Bağ Polarlığı ile Molekül Polarlığı Arasındaki Fark
Bağ yapan ametal atomlarının elektronegatiflik farkı, tek tek kovalent bağların polarlığını belirlemede kullanılır. Ancak bir molekülün genel polarlığı yalnızca bağ polarlığına değil, aynı zamanda molekülün geometrik şekline de bağlıdır. Bu nedenle apolar kovalent bağ içeren bir molekül bile, eğer molekülün geometrisi simetrik değilse (örneğin merkez atomda ortaklanmamış elektron çifti varsa) polar yapılı olabilir. Tersine, polar kovalent bağlar içeren bir molekül, eğer bu bağların polarlıkları molekülün simetrisi nedeniyle birbirini tam olarak dengeliyorsa, genel olarak apolar bir molekül olabilir.
Bu ayrım, moleküllerin fiziksel özelliklerini (kaynama noktası, çözünürlük, diğer moleküllerle etkileşim gücü gibi) anlamada temel bir kavramdır: polar moleküller genellikle polar çözücülerde (su gibi) iyi çözünürken apolar moleküller apolar çözücülerde (yağ gibi) daha iyi çözünür — "benzer benzeri çözer" ilkesinin temelinde de bu polarlık/apolarlık ayrımı yatar.