Kimyasal bağlar, Gilbert Lewis’in ortaya koyduğu elektron çiftlerinin bağ yapması kavramı üzerinden bir asır geçmesine rağmen, hâlâ biliminsanları arasında tartışma konusu. Nelerin bağ olarak kabul edilip nelerin edilemeyeceği, çeşitli bağ tipleri ve onları nasıl açıklamamız gerektiği uzlaşmaya varılmamış konular arasında.
Kimyasal bağlar
Moleküler orbital kuramı, atomların elektronların eşleşmesiyle bağ yaptığını açıklayan Lewis kuramının ötesine geçerek belli bir bölgede bulunmayan, dağılmış eşleşmeleri ve üç-merkez-iki-elektron bağ sistemini ortaya koydu. Buna rağmen, bağ kavramı çok daha fazlasını içeriyor. Lewis elektron çiftinin yaptığı kovalent bağ gibi iyonik ve metalik bağlar, hidrojen ve van der Waals bağları gibi moleküller arası bağlar da öğrencilerin aşina olması beklenen bağ çeşitleri.
Kimya ilerledikçe yeni bağ tipleri ortaya çıkıyor ve her hafta bunlarla ilgili makaleler yayımlanıyor. Alkil hidrojenleri ve geçiş metalleri arasında gözlenen agostik bağ bu makalelerde tartışılan konulardan biri, buna ek olarak hidrojen bağının ilginç çeşitleri, oktet (sekizli) kuralını geçen moleküllerde gözlenen hipervalent bağı, s boşlukları, p-p etkileşimi (istiflenme) , katyon-p veya anyon-p etkileşimleri bu tartışmalara konu olan bağ çeşitlerinin sadece birkaçı. Bunun sonu var mı?
Sevindirici bir haber olarak, bu tartışmalar söz konusu olunca başta gelen iki isim olan Gernot Frenking ve Sason Shaik, yakın zamanda kimyasal bağları çeşitli yöntemlerle açıklayan 2-ciltlik bir kitap hazırladılar. Amaçları, oldukça fazla olan bağ çeşitlerinde yol gösterici olmak ya da konu hakkında uzman olmayan kişilere açıklama yapmak değildi. Aksine, kimyasal bağların teorisiyle ilgilenenler için iyi bir kaynak sağlamaktı. Buna rağmen, konu ile ilgili olmayan insanlar da geliştirilen yaklaşımların genişliğini, derinliğini görebilir ve temel konsepti anlamaya çalışabilir.
Teorik inorganik kimyaya adanmış bu derlemeyle Shaik ve Franking, bilgisayar destekli kuantum kimyasının çok çeşitli kimyasal sistemlere uygulandığını ve bunun bağ kurmayı, yapıyı, reaktiviteyi ve özellikleri anlamada yardımcı olduğunu gösteriyor.
Bu noktada Richard Bader’in moleküllerdeki atomlar kuramından (atoms in molecules theory) söz etmek gerek. Bu kuram, moleküllerdeki elektron yoğunluklarına ilişkin karmaşıklığı matematiksel bir zarafetle azaltarak, bağ kurmayı sistemleyen yaygın bir yöntem olma özelliğinde. Bader sistemlerdeki elektron yoğunluğununun topolojik haritasıyla kritik bağ noktalarını -bağlı atomlar arasındaki bölgede bulunan elektron yoğunluğundaki eyer noktası- ve bu kritik noktalardan geçen bağ yörüngelerini belirtiyor. Bazıları bunu, kimyasal bağların varlığını sergileyen kriter olarak yorumluyor.
Kimyagerler “kimyasal bağları” tartışıyor
Her şeye rağmen, hâlâ bu açıklamaları yeterli bulmayanlar mevcut, kimyagerlerin bağ yapmayı tanımlamakta anlaşmaya çok uzak olduğu ortada. Birkaç sene önce, Shaik ve Frenking, Ronald Gillespie ve Bader ile birlikte İspanya’da bu konuyla ilgili bir yuvarlak masa toplantısı yaptılar. Bu hararetli tartışmada, çoğunlukla bağ yörüngeleri ve kritik bağ noktaları hakkında konuşuldu. Terimler tersine çevrildiğinde ve kritik bağ noktalarının bağ anlamına geldiği, çünkü bu noktaların bifenil molekülünde bulunan iki komşu hidrojen atomu arasında oluşabileceği iddia edilince problem baş gösterdi. Tartışmayı alevlendiren başka bir etken ise helyum ve kafeste bulunan bütün karbon atomları arasındaki kritik bağ noktalarını ortaya çıkaran, fulleren tarafından kapsüllenen helyum atomlarıydı. Bu tartışma geçen yıllarda yatıştı, fakat tam durulmadı; kimyasal bağ konusundaki bu anlaşmazlık devam ettikçe tartışma da bitmeyecek gibi.
Niye bağ yapmayla ilgileniyoruz?
Zayıf, kovalent olmayan bağları nasıl tanımladığımız hayatımızı etkileyecek bir konu mu? Muhtemelen doğrudan etkilemeyecek ve etkisini kısa bir zaman diliminde görmek mümkün olmayacak. Fakat kimyanın bütün olayının yeni moleküller veya çok moleküllü cisimler oluşturmak için atomları birleştirmek ve birleştirmemekten ibaret olduğunu unutmamalıyız. Bu nedenle, atom ve moleküllerin bağlanma şekillerini öğrenmenin, gelişen kimyadaki rolü çok büyük. Lewis elektron çifti modeli 20. yüzyılda molekül kimyası alanında olağanüstü bir gelişime neden olmuştur.
Dahası bağ yapma, kimyagerler ve hatta diğer insanlar için karşı konulmaz bir çekime sahip.
Geçmiş gelişmelerden kazanılan X-ışını saçma ile yapılan tomografi, tarama tünelleme ve atomsal kuvvet mikroskobisi gibi teknikler, kimyasal bağlar ve hatta hidrojen bağlarıyla ilgili bilgi veriyor ve hayal gücümüzü geliştirerek bu konudaki tartışmaları alevlendiriyor. Bu teknikler “Bağ var mı?” ve “Varsa nerede var?” sorularını yanıtlamada yetersiz kalacak gibi gözükse de, tartışmaları alevlendiriyor ve teorik tartışmaları deneysel sonuca çevirmeye olanak sağlıyor.
Kimyagerler yeni tip bir bağın varlığını onayladı
Kimyada birçok kural vardır, reaksiyon hızının sıcaklıkla doğru orantılı olarak artması da bu kurallardan bir tanesidir. Bu yüzden, 1989’da Vancouver’da yapılan nükleer hızlandırma deneyinde bromin ve muonium -bir hidrojen izotopu- arasındaki reaksiyon hızının sıcaklığın artmasıyla azalması kimyagerleri şaşırttı.
Deneye dahil olan Donald Fleming, bromin ve muoniumun birbirine karışıp diğer kimyacıların da önceden teorik olarak ispatladığı bir bağ olan “titreşimsel” bağla birbirine bağlı olan bir ara yapı oluşturmuş olabileceği düşüncesine kapıldı. Bu senaryoya göre, çok hafif muonium iki ağır bromin atomu arasında süratle hareket ediyor. “İki bowling topu arasında gidip gelen pinpon topu gibi” diyor Fleming. Salınım yapan atom bromin atomlarını birlikte tutarak toplam enerjiyi azaltıyor, dolayısıyla reaksiyonun hızını da azaltıyor.
Deneyin yapıldığı sırada kullanılan ekipmanlar, milisaniyede gerçekleşen reaksiyonu ölçmek için yeterli değildi; dolayısıyla titreşimsel bağın varlığı kanıtlanamadı. Bununla birlikte, 25 yıl sonra kimyagerlerin reaksiyonlardaki algılanması zor enerji seviyesi değişimlerini takip etme becerileri fazlasıyla gelişti, bu nedenle Fleming ve meslektaşları İngiltere’de Rutherford Appleton Laboratuvar’ında nükleer hızlandırma deneyini tekrar yaptı. Berlin’deki Free Üniversitesi ve Japonya’daki Saitama Üniversitesi’nde bulunan kimyagerler tarafından yapılan deneyler ve teorik sonuçlara dayanarak bromin ve muoniumun yeni çeşit geçici bir bağ oluşturduğu sonucuna vardılar. Bu bağın titreşim özelliği bromin-muoniumun ara yapısındeki toplam enerjiyi düşürdü, dolayısıyla sıcaklığın artmasına rağmen reaksiyon yavaşladı.
Ekip geçtiğimiz Aralık ayında Alman Kimya Toplululuğu tarafından yayımlanan bir duyuruda sonuçları rapor etti. Titreşimsel bağın kimyasal bağlar listesine girmesi gerektiği çalışmalarla desteklendi. Bromin-muonium reaksiyonu titreşimsel bağı doğrulamak için ideal bir sistem olsa da, Fleming bu olayın başka ağır ve hafif atomlar arasında da gerçekleşebileceğini öngörüyor.
Kaynaklar
1) http://www.scientificamerican.com/article/chemists-confirm-the-existence-of-new-type-of-bond/?WT.mc_id=SA_Facebook
2) http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/01/what-we-mean-when-we-talk-about-bonds
