Ana sayfa 118. Sayı Kimyada ezberler bozuluyor mu?

Kimyada ezberler bozuluyor mu?

Bilim Gündemi

222
PAYLAŞ

Görkem Giray

Çoğumuz ortaokul ve lise kimya derslerinde atomlar arası bağların atomun en dış kabuğunda (yörünge) bulunan elektronların diğer bir atomla ortak kullanılması ya da diğer atoma verilmesiyle oluştuğunu öğrenmiştik. Ancak bu durum çok da doğru olmayabilir. Bir kimyacı, yüksek basınç altında sadece dış kabukta bulunan elektronların değil, iç kabuktaki elektronların da bağ oluşumuna dâhil olduğunu hesapladı.

Atomlar, çekirdekleri etrafında artan ve belirli sayıda elektron içeren kabuklar (bir diğer deyişle elektron demetleri-orbitaller) bulundururlar. Böylece atomlar en dış enerji seviyelerindeki tam dolu olmayan orbitalleri elektron alarak ya da vererek kararlı hale getirme eğilimindedirler. Ancak gerçekleştirilen yeni çalışma gösteriyor ki atomlar sadece dış kabuklarında bulunan valans elektronlarını değil, tam dolu iç kabuktaki elektronlarını da paylaşarak bağ kuruyorlar. Santa Barbara’da bulunan Kaliforniya Üniversitesi ve Çin’de bulunan Pekin Hesaplamalı Bilimsel Araştırma Merkezi’nde görev alan kimyacı Mao-Sheng Miao bu durumu “Söz konusu bulgu, iç kabuk elektronlarının kimyasal bağ oluşturamayacağına, tepkime veremeyeceğine yönelik kuramımızı çürüttü” şeklinde ifade etti. Miao söz konusu bağları, bilinen fizik kurallarına dayanan ve ilksel temeller olarak anılan hesaplamaları kullanarak öngördü ve bulgularını 23 Eylül tarihli Nature Chemistry dergisindeki makalesinde belirtti.  Bu tip bir bağlanma şimdilik laboratuvar ortamında gözlenmiş olsa da Miao “Eminim ki doğal olarak da bulunmaktadır” ifadesinde bulundu.

Miao’nun hesaplamaları 30 gigapascal (GPa) civarında bir yüksek basınç altında (okyanus dibi basıncından yüksek ancak dünyanın merkezindeki basınçtan düşük bir basınç seviyesi) sezyum(Cs) ve flor(F) atomlarının iki muhtemel molekül meydana getirdiğini ortaya koyuyor. Sezyum elementi periyodik tablonun sol tarafında bulunuyor ve altıncı yani en dış kabuk seviyesinde bir adet serbest elektron bulunduruyor. Flor ise periyodik tablonun sağ tarafında,  asal gazlardan (ya da soy gazlar-en dış kabukları tamamen elektronlarla doludur ve kimyasal tepkimeye girme, yani elektron kaybetme eğilimleri düşüktür) bir önceki halojenler grubunda yer alıyor. Halojenler grubu elementlerinin en dış kabuğunda bir elektron eksiktir, böylece elektron alma eğilimi en yüksek olan elementlerdir. Miao bulgusunu şu şekilde açıklıyor: “Normal basınç altında sezyum, flora dış kabuğunda bulunan bir elektronu verir ve aralarında kimyasal bağ oluşur; ancak yüksek basınç altında sezyumun iç kabuklarında bulunan elektronlar flor ile bağ kurmaya başlarlar.”

Miao, yüksek basınç altında oluşan ve kararlı halde kalan iki bileşiği şu şekilde tanımlıyor: Birincisi, sezyumun bir valans elektronunu ve iki adet iç kabuk elektronunu, üç adet flor atomuyla paylaşmasıyla oluşan sezyum triflorid (CsF3). İkincisi ise sezyumun bir adet valans elektronunu ve dört adet iç kabuk elektronunu, beş flor atomuyla paylaşması sonucu oluşan sezyum pentaflorid (CsF5). Miao “Bu molekül çok güzel, denizyıldızını andırıyor” derken çalışmalarda yer almayan Cornell Üniversitesi’nden emekli kimya profesörü Roal Hoffmann, sonuçta gözlenen iki molekülün şeklinin ve bu şeklin oluşma ihtimalinin de oldukça şaşırtıcı olduğunu belirterek ekliyor: “Bu, bir alkali metalin iyonlaşmış tek valans elektronunu yitirmeden bağ kurabildiği ilk açık ve net durum. Ayrıca birden fazla flor atomu ile bağ kurabilmesi de bazı katı kuralların yıkıldığı anlamına geliyor.”

Bu reaksiyonların gerçekleşmesi entalpiye (bir sistemde sabit basınç altındaki toplam enerji miktarına) bağlıdır. Kimyasal reaksiyonlarda entalpi ürünler yönünde azalma eğilimindedir. Miao, doğal koşullarda oluşan sezyum florid(CsF)’in entalpisi ile muhtemel bileşiklerden sezyum triflorid(CsF3) ve sezyum pentaflorid(CsF5)’in entalpilerini hesapladı. Eşik basıncının üzerinde bu büyük moleküllerin entalpilerinin daha düşük olduğunu, böylece bu büyük moleküllerin oluşuma daha yatkın olduklarını gözlemledi. Çalışmada yer almayan Purdue Üniversitesi’nden kimyacı Paul Wenthold bulguları, “Bu yapılanma ve bağlanmalarda gördüğümüz hemen hemen her şey potansiyel enerjinin minimize edilmesini ve harcanan enerjinin azalarak dengelenmesini sağlayan bir sisteme işaret ediyor.” şeklinde değerlendirdi ve şöyle ekledi: “Normal şartlarda sezyum elementinin iç elektron kabuğundaki elektronun oksitlenmeye uğraması beklenmez. Ancak, eğer elektron alma isteği yeterince büyük bir şeyle yan yana getirilirse, elbette böyle bir tepkime gerçekleşecektir.”

Şu ana kadar bu molekülleri oluşturacak deneyler laboratuvar ortamında gerçekleştirilmedi, ama flor ile çalışmanın zorluğuna rağmen Miao bunun mümkün olduğunu belirtti. Modern araçlarla gerekli olan basınç seviyesine ulaşılabiliyor. “Bu sistemler konusundaki deneysel çalışmalar yüksek basınçlı sistemleri içeren teorik kimyanın çapını belirlemede mükemmel bir olanak sunuyor,” şeklinde ifadede bulunan, kendisi çalışmada yer almayan Northern İllinois Üniversitesi’nden Lee Sunderlin şöyle ekliyor: “Bu, deneycilere daha önce eşi benzeri görülmemiş özellikler sunacak sistemleri seçmede rehberlik edebilecek mükemmel bir teorik yaklaşım örneğidir.” Böylelikle lise fiziğinin temel kuralı yeniden yazılmış oldu. Sırada hangi moleküler sürprizlerin olduğunu kim bilebilir ki?

Kaynak

Clara Maskowitz, “A Basic Rule of Chemistry Can Be Broken, Calculations Show”, http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=chemical-bonds-inner-shell-electrons