Moleküller Arası Etkileşimler
Gecko kertenkele türü, yapışkan bir madde salgılamadan tüm yüzeylere tutunabilme özelliğine sahiptir. Bu kertenkelelerin ayakları seta adı verilen mikroskopik tüylerden ve bu tüylerin uçlarındaki spatula benzeri, 200 nanometre uzunluğunda ve 10 nanometreden küçük çaplı yapılardan oluşur. Bu tüycüklerin uçları çok ince olduğundan kertenkelenin tutunduğu yüzeyle moleküler düzeyde bir etkileşim sağlar; tek bir gecko, ayağındaki milyonlarca moleküler etkileşimle yaklaşık 10 Newton civarında güçlü bir yapışma kuvveti üretir. Bilim insanları bu özellikten esinlenerek "GeckoBot" adlı robotu geliştirmiş, cerrahi robotlarda kullanılabilecek yapışkan malzemeler üzerine araştırmalar yapmaktadır.
Moleküller Arası Etkileşimlerin Temeli
Moleküller arası etkileşimler, elektrostatik çekim adı verilen zıt elektrik yüklerinin birbirini çekmesi ve aynı yüklerin birbirini itmesi temeline dayanan elektrostatik kuvvetlerle açıklanır. Maddeyi oluşturan temel tanecikler atom, molekül veya iyon olabilir. Madde daha yoğun bir faza geçerken ya da başka bir madde içinde dağılırken etkin rol alan bu tanecikler arası etkileşimler, metalik, iyonik ve kovalent bağ oluşumundaki etkileşimden daha zayıftır.
Kalıcı Dipol ve Geçici (İndüklenmiş) Dipol
Polar moleküllerde, molekülün bir bölümü elektronca zengin ve kısmen eksi (δ⁻), diğer bölümü elektronca fakir ve kısmen artı (δ⁺) yüklüdür; bu iki kutuplu yapıya kalıcı dipol denir. Apolar moleküller ve soy gaz atomlarında ise elektron yoğunluğu genellikle dengeli dağılmıştır; ancak elektron dağılımındaki anlık dalgalanmalar sonucu geçici olarak bir bölgede elektron yoğunluğu artabilir. Bu durum yük dağılımının geçici olarak bozulmasına ve kutuplaşmaya yol açar; buna geçici dipol veya indüklenmiş dipol denir.
Moleküller arası etkileşimler beş temel türe ayrılır: dipol-dipol etkileşimi, iyon-dipol etkileşimi, London kuvveti (indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol), iyon-indüklenmiş dipol etkileşimi ve dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi.
Dipol-Dipol Etkileşimi
Polar moleküller bir araya geldiğinde ayrı moleküllerdeki zıt kutuplu atomlar arasında elektriksel bir çekim kuvveti oluşur; buna dipol-dipol etkileşimi denir. Bu etkileşim, polar moleküller içeren saf bir maddenin kendi molekülleri arasında (örneğin HCl molekülleri arasında) görülebileceği gibi, farklı tür polar moleküllerin karışımlarında da görülebilir.
İyon-Dipol Etkileşimi
İyonlar ve polar moleküller arasında görülür. İyonik yapılı bir bileşiğin polar bir çözücüde çözünmesi buna örnektir: yemek tuzu (NaCl) su (H₂O) gibi polar bir çözücüde çözündüğünde iyonlarına ayrışır; ortamdaki Na⁺ ve Cl⁻ iyonlarının su molekülünün kısmi yüklü bölgeleriyle oluşturduğu etkileşime iyon-dipol etkileşimi denir.
London Kuvveti (Dağılma Kuvveti)
Yük dağılımının anlık değişmesi tüm moleküllerde görülen bir durumdur; ancak bu, maddenin fiziksel özelliklerini belirleyen tek etkin kuvvet olduğunda soy gaz atomları ve apolar moleküllerde görülür. Bu çekim kuvvetine dağılma kuvveti, indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi veya London kuvveti denir. Apolar moleküllerin ve soy gaz atomlarının elektron bulutu genellikle simetrik dağılmıştır; ancak yaklaşan bir başka atom, iyon veya molekül bu simetrik dağılımı bozarak geçici bir dipol oluşturur. Yapıdaki elektron sayısı fazla ve elektron bulutu dağılmış olan moleküllerde kutuplanabilirlik kolaylaşır ve London kuvveti artar.
İyon-İndüklenmiş Dipol Etkileşimi
Bir anyon veya katyon, apolar bir moleküle veya soy gaz atomuna yeterince yaklaştığında, o moleküldeki elektriksel yüklerin dengeli dağılımını geçici olarak etkiler. Apolar molekülün anyona yakın bölgesi kısmen artı (δ⁺), katyona yakın bölgesi kısmen eksi (δ⁻) yüklenir. İyon ile apolar molekülün kısmi yükleri arasında oluşan elektrostatik çekime iyon-indüklenmiş dipol etkileşimi denir (örneğin Na⁺ iyonu ile He atomu arasında).
Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimi
Polar bir molekül, apolar bir moleküle veya soy gaz atomuna yeterince yaklaştığında, apolar moleküldeki elektriksel yüklerin dengeli dağılımını geçici olarak bozar ve orada kısmen artı ve kısmen eksi yüklü bölgeler oluşturur. Bu indüklenmiş dipol ile polar moleküldeki yüklü bölgeler arasındaki çekime dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi denir (örneğin HCl molekülü ile He atomu arasında).
London kuvveti, dipol-dipol ve dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri, IUPAC tarafından "van der Waals kuvvetleri" olarak adlandırılır.
Hidrojen Bağı
Hidrojen atomu doğrudan F, O veya N atomuna bağlandığında, bağlanan atomlar arasındaki elektronegatiflik farkı diğer kovalent bağlardan daha fazladır. Bu durum, hidrojen atomundaki kısmi pozitif yükün ve ortaklanmamış elektron çifti bulunduran diğer atomdaki kısmi negatif yükün yoğunluğunun fazla olmasına neden olur. Bu yük yoğunluğu fazlalığı nedeniyle moleküller arasındaki çekim, dipol-dipol etkileşimine göre oldukça güçlüdür. Genellikle komşu moleküller arasında oluşan bu güçlü etkileşime hidrojen bağı denir. Hidrojen bağının oluşması için hidrojen atomunun F, O veya N atomuna bağlanmış ve kısmi pozitif yüklü olması, ayrıca hidrojen atomuna bağlanacak, kısmi negatif yüklü ve ortaklanmamış elektron çifti içeren bir F, O veya N atomunun bulunması gerekir.
Moleküller Arası Etkileşimlerin Göreceli Kuvveti
| Etkileşim Türü | Görüldüğü Yer | Kuvveti (kJ/mol) |
|---|---|---|
| London kuvveti | Bütün molekül ve soy gaz atomları | 0,05-20 |
| Dipol-dipol | Polar moleküller arasında | 3-20 |
| Hidrojen bağı | F, O veya N atomuna bağlı H içeren moleküller arasında | 10-40 |
Görüldüğü gibi hidrojen bağı, moleküller arası etkileşimlerin en güçlüsüdür.
DNA Yapısında Hidrojen Bağı
DNA (deoksiribonükleik asit), hayati faaliyetlerin sürdürülmesini sağlayan ve genetik özellikleri taşıyan bir moleküldür. DNA'nın sarmal bir merdivene benzeyen yapısında şeker ve fosfattan oluşan zincir dış kısımda, azotlu organik bazlar ise merdivenin basamaklarında yer alır; fosfat, şeker ve azotlu organik bazın birleşmesinden oluşan tekrarlayan yapıya nükleotit denir. Nükleotit yapısında dört farklı azotlu organik baz bulunur: adenin (A), timin (T), sitozin (C) ve guanin (G). G-C ve A-T arasında oluşan molekül içi hidrojen bağları, DNA'nın iki zincirini birbirine bağlar ve genetik kodun korunmasını sağlar. G-C çifti arasında A-T çiftine göre daha fazla sayıda hidrojen bağı bulunduğundan G-C bağlanması daha güçlüdür.
Bu örnek, moleküller arası etkileşimlerin yalnızca soyut kimya kavramları olmadığını; hayatın temel yapı taşı olan DNA'nın yapısını ve kararlılığını belirleyen gerçek fiziksel güçler olduğunu gösterir. Suyun kaynama noktasının benzer büyüklükteki apolar moleküllere göre çok daha yüksek olmasının nedeni de su molekülleri arasındaki güçlü hidrojen bağlarıdır.