Gecko bir tür kertenkeledir. Gecko kertenkeleleri yapışkan bir salgı kullanmadan düz duvara tırmanabilirler. Bu özellikleri, yeni yapışkan materyaller üretilmesinde bilim insanlarına ilham kaynağı olmuştur. Bugün, insanoğlu gecko kertenkelelerinin ayaklarında milyonlarca yıldan beri var olan yapıyı taklit ederek çeşitli alanlarda kullanmak için çalışmalar yapmaktadır.

Gecko kertenkelelerinin ayaklarında “seta” adı verilen yüz binlerce tüycük bulunur. Bu tüycükler insan saçından 10 kat daha incedir ve mikroskop altında uçarı doğru çatallandığı ve daha incelediği görülür. Bu tüycükler, ufacık ve ince kılcıklardan oluşur ve kertenkelelerin tutunduğu yüzey ile moleküller düzeyde bir etkileşim sağlar.

Bilgisayar ekranlarının da sürekli tozlanmasının nedeni de budur. Toz partikülleri ile bilgisayar ekranı arasında etkileşimler oluşur.

Şimdi hep beraber bu etkileşimleri inceleyelim. Kalsiyum ve oksijen atomları arasındaki iyonik bağı kırmak için gerekli olan enerji 3414 kJ/mol’dür.

CH₃OH molekülleri arasındaki bağı kırmak için gerekli enerji ise 35 kJ/mol’dür.

Bu bağları kırmak için gerekli olan enerjiler arasındaki fark neden bu kadar büyüktür?

• Bağ oluşurken açığa çıkan veya bu bağı kırmak için verilmesi gereken enerjiye bağ enerjisi denir.
• Kimyasal türleri birbirinden ayırmak için gereken bağ enerjisi yaklaşık olarak 40 kJ/mol’den daha yüksek ise türler arasında güçlü etkileşimler (kimyasal bağ) oluştuğu kabul edilir.
• Zayıf etkileşimleri kırmak için gereken bağ enerjisi ise genellikle 40 kJ/mol’den daha azdır.

Her fiziksel ve kimyasal olayda enerji değişimi farkı, etkileşimin güçlü ya da zayıf olduğunun açıklaması olabilir. Bu durumda olayı fiziksel veya kimyasal değişimle açıklamak gerekir. Örneğin aşağıdaki tepkime 43,9 kJ/mol’lük enerji verilmiştir. Bu değer 40 kJ/mol’den büyük olduğu hâlde suyun hâl değişimi sırasında zayıf etkileşimler kopar ve fiziksel değişim gerçekleşir.

H_₂O(s) + 43,9 kJ/mol → H_₂O(g)

• Zayıf etkileşimler, kimyasal türlerin erime ve kaynama noktası gibi fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde etkilidir.
• Zayıf etkileşimler moleküller ve soy gaz atomlarını bir arada tutan fiziksel kuvvetlerdir.

• Zayıf etkileşimler maddenin katı ve sıvı fazlarında etkindir. Gaz fazında ihmal edilirler.
• Zayıf etkileşimlere genel olarak; i) hidrojen bağları,
  ii) moleküllerarası bağlar,
  iii) iyon-dipol etkileşimleri de denilebilir.

Zayıf Etkileşimlerin Sınıflandırılması

Zayıf etkileşimler genel olarak Van der Waals kuvvetleri ve hidrojen bağları olarak ikiye ayrılır.

1. Van der Waals Etkileşimleri
   • Dipol-dipol etkileşimleri
   • İyon-dipol etkileşimleri
   • İndüklenmiş dipol etkileşimleri
     • İyon-indüklenmiş dipol etkileşimleri
     • Dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri
     • İndüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri (London kuvvetleri)
2. Hidrojen Bağı

Van der Waals Etkileşimleri

Hidrojen bağı dışındaki tüm zayıf etkileşimlere Van der Waals etkileşimleri denir.

A) Dipol-dipol Etkileşimleri

Polar moleküllerde kalıcı pozitif ve negatif kutuplar oluşur. Buna kalıcı dipol adı verilir.
Polar moleküller birbirine yaklaştığında birinin pozitif kutbu ile diğerinin negatif kutbu arasında elektrostatik bir çekim kuvveti oluşur.
Polar moleküllerin kalıcı dipolleri arasında oluşan etkileşimlere dipol-dipol kuvvetleri denir.

• Dipol-dipol etkileşimleri farklı moleküller arasında da oluşabilir.

• Dipol-dipol etkileşimleri, polar moleküllerdeki kalıcı dipollerden kaynaklandığı için zıt yüklü kutuplar arasında gerçekleşir.
• Dipol-dipol etkileşimleri, güçlü etkileşimlere göre oldukça zayıftır.

B) İyon-dipol Etkileşimleri

İyonik yapılı bir bileşiğin (örneğin NaCl) polar yapılı bir molekül (örneğin H₂O) ile bir araya gelmesi durumunda oluşur.
İyonik bileşiğin pozitif yüklü iyonu ile polar molekülün negatif kutbu (Na⁺ ile H₂O’nun oksijen tarafı) arasında ve negatif yüklü iyonu ile polar molekülün pozitif kutbu (Cl⁻ ile H₂O’nun hidrojen tarafı) arasında oluşan etkileşim iyon-dipol etkileşimidir.
Bu şekilde su molekülü Na⁺ ve Cl⁻ iyonlarını kristal örgüsünden kopararak ayırır ve çözünme olayı gerçekleşir.

• Genellikle iyon-dipol etkileşimi, dipol-dipol etkileşiminden daha güçlüdür.

C) İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri

Apolar moleküllerde kalıcı dipol bulunmaz. Apolar moleküllerde, anlık bir polarlık oluşur. Bu anlık dipol ya da indüklenmiş dipol olarak adlandırılır. İndüklenmiş dipol etkileşimleri üçe ayrılır:
1) İndüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri (London kuvvetleri)
2) İyon-indüklenmiş dipol etkileşimleri
3) Dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri

1) İndüklenmiş Dipol-İndüklenmiş Dipol Etkileşimleri (London Kuvvetleri)

• Apolar moleküllerde ve soy gaz atomları arasında yoğun fazda bulunan etkin kuvvettir.
• Apolar moleküllerde ve soy gazlarda oluşan anlık kutuplaşma, komşu atom veya molekülün de kutuplaşmasına neden olur ve aralarında zayıf London kuvvetleri oluşur.

• London kuvvetlerine indüklenmiş dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi de denir.
• London kuvvetleri zayıf etkileşimler arasındaki en zayıf olan etkileşim türüdür.
• London kuvvetleri elektronlarca geçici kutuplanmasından kaynaklandığı için polar moleküller arasında da var olabilir. Fakat London kuvvetleri diğer Van der Waals bağlarının yanında çok küçük etkilere sahip olduğu için zayıf kalır.

Aşağıdaki görselde kırmızı çizgi kovalent bağı (kimyasal, güçlü), kesikli mavi çizgi London etkileşimini (fiziksel, zayıf) göstermektedir.

Apolar moleküllerde ve soy gazlarda toplam elektron sayısı arttıkça, molekülün kutuplanabilirliği artacağından, London kuvveti de artar. Böylece maddenin kaynama noktası da artar.

VII A Grubu Molekülleri Elektron Sayısı ve Kaynama Noktası

Aşağıdaki grafik VIII A grubu elementlerinin elektron sayıları ve kaynama noktaları arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

2) İyon-indüklenmiş dipol etkileşimi

İyon-indüklenmiş dipol etkileşimleri, pozitif ya da negatif yüklü bir iyon ile apolar bir tanecik ya da soy gaz arasındaki elektrostatik çekim gücüdür.

3) Dipol-indüklenmiş dipol etkileşimi

Polar moleküllerle apolar moleküller arasında veya polar molekül ile soy gaz atomları arasında gerçekleşen etkileşime dipol-indüklenmiş dipol etkileşimleri denir.

Hidrojen Bağı

Bir moleküldeki elektronegatifliği yüksek ve yarıçapları küçük F, O, N atomlarının ortaklanmamış valans elektron çiftleri ile diğer moleküldeki kısmi pozitif (δ⁺) yüklü H atomları arasında oluşan bağa hidrojen bağı denir.

Hidrojen bağı aynı iki molekül arasında oluşabildiği gibi farklı iki molekül arasında da oluşabilir.

Eğer bir molekülde F, O veya N elementlerine bağlı H atomu varsa, diğer moleküldeki F, O, N elementinin ortaklanmamış elektron çifti ile aralarında hidrojen bağı oluşabilir.

Hidrojen Bağının Kaynama Noktasına Etkisi

• Moleküller arası etkileşimler içinde dipol-dipol ve London kuvvetlerine göre en güçlü olan bağ hidrojen bağıdır.
• F, O, N elementlerinin hidrojen bileşiklerinin sıvı ortamdaki kaynama noktaları, kendi gruplarındaki elementlerin hidrojenli bileşiklerinden çok daha yüksektir.
• Aşağıdaki tabloya göre bu grupların elementlerinin hidrojenle oluşturduğu bileşiklerin kaynama noktası yukarıdan aşağıya doğru gidildikçe artmaktadır. Ancak H₂O‘nun yapısındaki hidrojen bağı nedeniyle bu eğilim bozulur.

• Periyodik sistemin 5A, 6A ve 7A grubu elementlerinin hidrojenli bileşiklerinin kaynama noktaları grafikte verilmiştir.

H₂O, NH₃ ve HF‘nin kaynama noktalarının yüksek olmasının nedeni moleküller arası hidrojen bağıdır.
Aynı ortamda bulunan bileşiklerde hidrojen bağının sayısı arttıkça bileşiğin kaynama noktası da artar. Örneğin:

• Moleküller arası hidrojen bağı sayısının artması bileşiğin kaynama noktasını yükseltir.
• Hidrojen bağı etkisi olan moleküllerin kaynama noktası sıralaması şu şekildedir:
  H₂O > HF > NH₃.

Eşit sayıda elektron içeren taneciklerin erime/kaynama noktaları arasındaki kıyaslama şu şekildedir:

London etkileşimi < Dipol-dipol etkileşimi < Hidrojen bağı < İyonik bağlı bileşik

Hidrojen Bağının Canlılar İçin Önemi

Suya özel bir durum olarak, bir su molekülü 4 farklı su molekülü ile etkileşim kurar. Kaynama noktası nispeten yüksektir. Donarken hacmi genişler, buzun yoğunluğu sudan az olur. Su donarken donma yüzeyden başlar. Böylece su altında canlı yaşamı devam eder.

Hava sıcaklığı çok çabuk değişse bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar ve azalır. Bu durum vücudun büyük bir kısmı su olan insanın sıcaklık değişimlerinden daha az etkilenmesini sağlar. Bunun nedeni de hidrojen bağlarıdır.

Hidrojen bağları protein ve DNA yapısında da vardır. DNA’nın iki sarmal yapısında zincirler hidrojen bağı ile bir arada durur. DNA’nın kendini kopyalaması sırasında bu bağlar kopar ve tekrar oluşur.

Yüksek ağaçlarda yapraklara kadar su taşınımı yine hidrojen bağlarının etkisi ile açıklanabilir. Bu bağlar sayesinde su molekülleri birbirine tutunur ve kılcal etkisi ile köklerden yapraklara kadar taşınır.

Moleküller arası etkileşimler, kimyasal maddelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini anlamada kritik bir rol oynar. Bu etkileşimler, moleküller arasındaki çekim kuvvetleri olup, bir maddenin erime ve kaynama noktası, çözünürlük ve diğer fiziksel özelliklerini etkiler. Moleküller arası etkileşimler, güçlü kimyasal bağlar (kovalent, iyonik, metalik) ile karıştırılmamalıdır; bunlar daha zayıf kuvvetlerdir, ancak maddelerin davranışlarını belirlemede büyük bir öneme sahiptir. Bu makalede, moleküller arası etkileşimlerin türlerini ve bu etkileşimlerin kimyasal özellikler üzerindeki etkilerini inceleyeceğiz.

Moleküller Arası Etkileşim Türleri

London Dağılım Kuvvetleri (Van der Waals Kuvvetleri)

• Tanım: London dağılım kuvvetleri, apolar moleküller arasında geçici dipoller oluşması sonucu meydana gelen zayıf çekim kuvvetleridir. Bu kuvvetler, tüm moleküller arasında bulunur, ancak apolar moleküller için özellikle önemlidir.
• Özellikler: Bu kuvvetler oldukça zayıftır ve molekül kütlesi arttıkça kuvvetin şiddeti de artar. Örneğin, soygazlar (Ne, Ar, Kr) ve apolar organik moleküller arasında bu tür kuvvetler etkilidir.

Dipol-Dipol Etkileşimleri

• Tanım: Polar moleküller arasında oluşan dipol-dipol etkileşimleri, bir molekülün kısmi negatif yüklü kısmının diğer molekülün kısmi pozitif yüklü kısmını çekmesiyle meydana gelir.
• Özellikler: Dipol-dipol etkileşimleri, polar moleküller arasındaki bağlanma kuvvetlerinden biridir ve polar moleküllerin fiziksel özelliklerinde belirleyici bir rol oynar. Örneğin, hidrojen klorür (HCl) molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimleri bulunur.

Hidrojen Bağı

• Tanım: Hidrojen bağı, hidrojen atomunun yüksek elektronegatifliğe sahip bir atom (fluor, oksijen veya azot) ile bağlandığı durumlarda meydana gelen güçlü bir dipol-dipol etkileşimidir.
• Özellikler: Hidrojen bağları, su (H₂O), amonyak (NH₃) ve hidroflorik asit (HF) gibi moleküllerde önemli bir rol oynar. Bu bağlar, suyun yüksek kaynama noktası, yüksek yüzey gerilimi ve buzun düşük yoğunluğu gibi özelliklerini açıklar.

İyon-Dipol Etkileşimleri

• Tanım: İyon-dipol etkileşimleri, iyonlar ile polar moleküller arasında oluşan kuvvetlerdir. Bu etkileşim, özellikle tuzların suda çözünmesi sırasında önemlidir.
• Özellikler: Örneğin, sodyum klorür (NaCl) suda çözündüğünde, su molekülleri sodyum ve klor iyonlarını çevreleyerek onları çözer. Bu etkileşimler, çözücüler ve iyonlar arasındaki bağlanmayı açıklar.

Moleküller Arası Etkileşimlerin Etkileri

Moleküller arası etkileşimler, maddelerin birçok fiziksel özelliğini belirler:

• Kaynama ve Erime Noktaları: Moleküller arası etkileşimlerin kuvveti, bir maddenin kaynama ve erime noktalarını etkiler. Güçlü etkileşimler, yüksek kaynama ve erime noktalarına yol açar.
• Çözünürlük: "Benzer benzeri çözer" prensibiyle, polar maddeler polar çözücülerde, apolar maddeler ise apolar çözücülerde daha iyi çözünür.
• Yüzey Gerilimi: Su gibi maddelerin yüksek yüzey gerilimi, moleküller arası hidrojen bağlarının sonucudur.

Moleküller arası etkileşimler, kimyanın temel kavramlarından biridir ve maddelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerini anlamada kritik bir rol oynar. London kuvvetlerinden hidrojen bağlarına kadar bu etkileşimler, maddelerin davranışlarını ve özelliklerini belirler. Bu etkileşimlerin anlaşılması, kimya dersinde karşılaşılan birçok kavramın ve reaksiyonun daha iyi kavranmasını sağlar.