Ünite 2: Moleküllerarası Kuvvetler, Sıvılar ve Katılar

Moleküllerarası Kuvvetler

Moleküllerde atomlar birbirine kimyasal bağlarla tutunurlar. Molekülleri bir arada tutan ve moleküllerden oluşan maddenin birçok özelliğini belirleyen bu kuvvetlere moleküllerarası kuvvetler denir. Moleküllerarası kuvvetler, van der Waals kuvvetleri olarak da bilinmektedir. Bu kuvvetler kimyasal bağlara göre oldukça zayıftır. Moleküllerarası kuvvetler, bir maddenin erime noktası, kaynama noktası, çözünürlüğü, elektrik ve ısı iletkenliği, kristal yapısı ve sertliği gibi fiziksel özelliklerini belirler. Moleküllerarası kuvvetler; dipoldipol kuvvetleri, London (dispersiyon) kuvvetleri ve hidrojen bağıdır.

Dipol-Dipol Kuvvetleri

Bir molekülü oluşturan atomların elektronegatiflikleri farklı ise elektronlar biri tarafından daha çok çekilir ve bağ polarlaşır. Polar moleküllerde elektron yoğunluğunun molekülün bir tarafında yüksek diğer tarafında düşük olması nedeniyle molekül bir dipole (iki kutba) sahiptir. Polar bir molekülün pozitif ucu diğer bir polar molekülün negatif ucuna yakın olduğu zaman bu iki molekül birbirini çeker. İki polar molekül arasındaki bu elektrostatik çekimin sonucunda oluşan kuvvete dipol-dipol etkileşimi denir. iki atomlu moleküllerde, iki atom arasındaki elektronegatiflik farkı ne kadar büyükse dipol-dipol kuvvetleri o kadar güçlü olur. Aynı mol kütleli bileşiklerden dipol momenti yüksek olan daha yüksek sıcaklıkta erir ve kaynar. Dipol-dipol etkileşimi sadece aynı tür moleküller arasında değil farklı tür moleküller arasında da bulunabilir. Bunun sonucu olarak da molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimi olan iki sıvı madde birbirinin içinde çözünme eğilimindedir.

London (Dispersiyon) Kuvvetleri

Bu kuvvetler polar, apolar bütün moleküller arasında görülen bir moleküllerarası etkileşim kuvvetidir. Moleküllerde atomların hareketliliği sonucu elektronlar molekülün belirli bir yerinde yoğunlaşır ve anlık dipol oluşur. Bu anlık dipol etrafındaki moleküllerin elektronlarını iterek veya çekerek indüklenmiş dipol oluşturur. Bu yolla oluşan anlık dipol-indüklenmiş dipol etkileşimine London (dispersiyon) kuvvetleri denir. London kuvvetlerinin büyüklüğü atom veya molekülün polarlaşabilme kolaylığı, boyutu ve moleküllerde molekül geometrisi ile ilgilidir.

Hidrojen Bağı

Oksijen (O), azot (N) ve flor (F) atomlarının hidrojenle oluşturdukları bağlarda, kısmi pozitif yüklü hidrojenin komşu molekülde bulunan O, N ve F atomunun ortaklanmamış elektron çifti ile etkileşime girerek oluşturduğu bağa hidrojen bağı denir. Hidrojen bağı yapabilen moleküllerde moleküllerarası kuvvetler daha güçlüdür. Bu nedenle erime ve kaynama noktaları benzer bileşiklere göre daha yüksektir. Hidrojen bağı, kovalent ve iyonik bağdan daha zayıf; dipol-dipol ve London kuvvetlerinden daha kuvvetlidir.

Sıvıların Özellikleri

Sıvıların özellikleri moleküllerarası çekim kuvvetlerinden viskozite ve yüzey gerilimi ile ilgilidir.

1. Vizkozite: Bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirençtir. Viskozitesi büyük olan sıvı daha yavaş akar. Viskozite molekülün büyüklüğüne, şekline ve kimyasal yapısına bağlıdır. Viskozite genellikle sıcaklığın artmasıyla azalır. Çünkü yüksek sıcaklıkta, moleküllerin sahip olduğu kinetik enerji artar ve böylece moleküllerarası çekim kuvvetleri daha kolay yenildiğinden moleküller birbirlerine göre daha kolay hareket ederler.
2. Yüzey gerilimi: Sıvı yüzeyindeki moleküller sıvının iç kısmındaki moleküller tarafından sıvının içine doğru çekilirler. Bu çekim sebebiyle sıvıları minimum yüzeye sahip olacak şekilde şekil almaya zorlayan kuvvete yüzey gerilimi denir. Başka bir deyişle yüzey gerilimi bir sıvının yüzeyini birim alan kadar arttırmak için gereken enerji miktarıdır. Benzer moleküller arasında olan ve bu molekülleri bir arada tutan etkileşim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri denir. Bir madde ile bir yüzeyi (başka madde) arasında olan etkileşim kuvvetlerine ise adezyon kuvvetleri denir. Adezyon kuvvetlerinin kohezyon kuvvetlerinden büyük olduğu durumda çok dar çaplı (kılcal) borular bir sıvıya daldırıldığında sıvı bu borular içinde yukarıya doğru yükselir. Buna kapiler etki denir.

Faz Değişimleri

Maddelerin fiziksel hallerden birinden diğerine dönüşümüne faz değişimi denir. Faz, şiddet özellikleri her noktasında aynı olan maddedir. Faz değişimleri sistemin enerjisindeki değişim sonucu gerçekleşir. Katı fazdaki bir maddenin ısı alarak sıvı faza geçmesine erime denir. Bir mol katı maddenin erimesi için gerekli olan ısıya molar erime ısısı veya molar erime entalpisi denir. Sıvının donduğu sıcaklığa donma noktası adı verilir. Sıvı fazdaki bir maddenin yeteri miktarda enerji aldığında gaz (buhar) faza geçmesine buharlaşma denir. Bir mol sıvının buharlaşması için gereken ısıya molar buharlaşma ısısı veya molar buharlaşma entalpisi adı verilir. Buhar basıncı yüksek olan katıların sıvı faza geçmeden katı fazdan doğrudan gaz fazına geçmesi olayına süblimleşme denir. Süblimleşmenin tersi ise kırağılaşma dır.

Sıvıların Buhar Basıncı

Belli bir sıcaklıkta sıvı ile buhar fazları arasındaki yoğunlaşma ve buharlaşma hızları eşit hale geldiğinde dinamik bir dengeye ulaşılır. Bu denge durumundaki sıvının buhar basıncının değeri o sıvının o sıcaklıktaki buhar basıncıdır. Buhar basıncı yüksek olan sıvıların buharlaşması kolay olup bu tür maddelere uçucu madde denir. Bir sıvının buhar basıncının sıvı üzerindeki dış basınca eşit olduğu sıcaklık o sıvının kaynama noktası dır. Dış basıncın 1 atmosfer olduğu basınçtaki sıvının kaynama sıcaklığına normal kaynama noktası denir. Sıvı üstündeki dış basıncın artmasıyla kaynama sıcaklığı yükselir.

Faz Diyagramları

Maddenin herhangi bir basınç ve sıcaklıkta hangi fazda olduğu, farklı fazlar arasında hangi koşullarda dengenin oluştuğu konusunda bilgi veren grafiklere faz diyagramları denir. Faz diyagramları ayrıca fazların termodinamik açıdan kararlı olduğu basınç ve sıcaklık değerlerini gösterir. Fazların kararlı olduğu bölgeleri ayıran çizgilere faz sınırları denir. Faz sınırları üstünde bir noktada o faz sınırının ayırdığı iki faz denge halindedir. Sıvı ve buhar fazları arasındaki faz sınırın kaybolduğu (bittiği) noktaya kritik nokta denir. Kritik noktanın sıcaklığına kritik sıcaklık ve basıncına kritik basınç denir. Faz diyagramında üç faz sınırı eğrisinin kesiştiği nokta üçlü noktadır. Üçlü noktada üç faz (su için; buz, sıvı su ve buhar fazları) dengededir. Faz diyagramları kullanılarak bir maddenin sabit bir sıcaklıkta üzerindeki basıncın değişimine bağlı olarak hangi fazda bulunabileceği ve üzerindeki basınç sabit tutularak sıcaklık değiştiğinde hangi fazda olacağı bulunabilir.

Katılar

Katılar kendilerini oluşturan atomların, moleküllerin veya iyonların düzenli üç boyutlu bir yapıda bulunması nedeniyle belli hacim ve biçime sahip maddelerdir. Katılar kristal veya amorf ( kristal olmayan ) yapıda bulunurlar. Kristal bir katı, belirli pozisyonlarda bulunan atom, iyon veya moleküllerden oluşur. Şeker, buz, tuz kristal katılara örnek olarak verilebilir.

En Sıkı İstiflenme

Atomların en sıkı istiflenmiş olduğu yapıda aralarındaki boşluk oranı en az ve komşu atom sayısı maksimumdur. Bu durumda her atom eş küre gibi düşünüldüğünde kendisiyle aynı tabakada olan altı başka atoma temas eder. Tabakalardaki atomların birbirlerine göre en sıkı istiflenmesinde yani üst üste yerleşmesinde belirli bir düzen vardır. En sıkı istiflemede atomlar daha önceden dizilmiş olan tabakada kalan çukurların üzerine yerleşir. En sıkı istiflenmede üçüncü tabaka atomlarının yerleşimi için iki olasılık vardır. Birinci olasılıkta üçüncü tabaka atomları, birinci tabakadaki atomların tam üzerine gelecek şekilde yerleşebilirler. Tabakaların biçim olarak bu düzenine hekzagonal sıkı istiflenmiş yapı denir. Magnezyum ve çinko bu yolla kristallenen metallere örnektir. İkinci olasılık ise üçüncü tabaka atomlarının birinci tabakada bulunan, ancak ikinci tabaka atomlarının üzerlerine oturmadığı çukurların tam üzerine denk gelecek şekilde yerleşmeleridir. Bu düzenlemeye de kübik sıkı istiflenmiş yapı denir. Atomların kübik sıkı istiflenmiş yapısının birim hücresi yüzey merkezli kübik hücredir.

Koordinasyon Sayısı

Belirli bir kristal yapıda bulunan bir atom, iyon veya molekülün en yakın komşularının sayısına koordinasyon sayısı denir.

Kristal Örgü ve Birim Hücre

Kristal bir katıyı oluşturan atom, molekül veya iyonların belirli bir düzende üç boyutta tekrarlanması sonucu oluşan yapıya kristal örgüsü denir. Kristal örgüyü tanımlayan yani kristalin tüm özelliklerini taşıyan en küçük birime birim hücre denir. Kübik kristal örgü yapısında basit kübik (bk), iç merkezli kübik (imk) ve yüzey merkezli kübik (ymk) olmak üzere 3 çeşit birim hücre vardır. Bu hücrelerin içinde en basit olanı basit kübik birim hücredir ve bu hücrede atomlar küpün sadece köşelerinde bulunurlar. İç merkezli kübik birim hücrede, atomlar küpün köşelerinde ve merkezinde (1 atom) bulunur. Yüzey merkezli kübik birim hücrede ise küpün köşelerinin yanı sıra küpün her yüzünde de bir atom bulunmaktadır.

Birim Hücredeki Atom Sayısı

Birim hücrenin köşesinde bulunan her atom, komşu 8 hücre tarafından paylaşıldığından köşedeki atomların her birinin sadece 1/8 i ilgili birim hücreye aittir. Kübik hücrenin kenarlarında bulunan atomlar ise komşu dört birim hücre arasında paylaşılır ve kenar atomlarının 1/4 i birim hücreye aittir.

X Işınları Kırınımı

Kristal içerisinde atom, iyon veya moleküllerin ne şekilde düzenlendiği X ışınları kırınımı yöntemiyle belirlenebilir. Bir kristale belirli açılarda X ışınları uygulandığında, atom büyüklükleri, atomlar arasındaki boşluklar ve kristalin çeşitli yönlerindeki elektron yoğunlukları bulunabilir.

Katılardaki Bağlanmalar

Kristal katıların erime noktası, sertlik, ısı ve elektrik iletkenlikleri gibi fiziksel özellikleri hem katıdaki atomların, moleküllerin veya iyonların düzenlenmelerine hem de bunlar arasındaki çekim kuvvetlerine bağlıdır. Partiküller arasındaki kuvvetlerin türüne göre katılar; metalik katılar, iyonik katılar, moleküler katılar ve kovalent (örgü) yapılı katılar olarak sınıflandırılır.

Metalik Katılar

Metalik bir katıda, değerlik elektronları ait oldukları çekirdeklerden bağımsız hareket edebilmektedir. Bu nedenle metalik katıda yapı elektron denizinde bulunan metal katyonları şeklinde düşünülebilir. Elektronların hareketliliği metalik katıların ısı ve elektriği iyi iletmesini sağlar. Metalik katıların erime ve kaynama noktaları yüksektir.

İyonik Katılar

İyonlardan oluşan ve kuvvetli iyonik bağlar ile bir arada bulunan katılara iyonik katılar denir. İyonik kristallerde birim hücre yapısı katyon ve anyonların yarıçaplarının oranına ve yüklerine bağlılık gösterir. İyonik katılar sert ancak kırılgandırlar. Bir sıvıda çözüldükleri zaman elektriği iyi iletmelerine rağmen katı halde iletmezler. İyonik kristallere örnek olarak sodyum klorürü (yemek tuzunu) verebiliriz.

Moleküler Katılar

London kuvvetleri, dipol-dipol ve hidrojen bağları gibi moleküllerarası kuvvetlerle bir arada tutulan moleküllerden oluşan katılara moleküler katılar denir. London kuvvetlerinin etkin olduğu kuru buz (katı CO2) ve naftalin (C10H8) gibi polar olmayan maddelerin kristalleri; London kuvvetleri ve dipol-dipol kuvvetlerinin etkin olduğu katı SO2 gibi polar moleküllerin kristalleri ve London kuvvetleri, dipol-dipol kuvvetleri ve hidrojen bağlarının etkin kuvvet olduğu H2O (buz), NH3 ve HF katılarının kristalleri moleküler katılara örnek olarak verilebilir.

Kovalent (Örgü) Yapılı Katılar

Atomların komşu atomlarla elektronlarını ortaklaşa kullanmasıyla oluşan üç boyutlu örgü yapılı katılara kovalent katılar denir. Kristal boyunca 3 boyutta uzanan bu kovalent bağlar bu katıları oldukça sert ve yüksek erime noktasına sahip yapar. Örgü (şebeke) yapısındaki katıların en iyi bilinen iki örneği karbonun allotropları olan elmas ve grafittir.