Hidrojen Bağı Nedir? Oluşumu, Örnekleri ve Etkileri

1. Hidrojen bağını belirleyen iki zorunlu parça

Bir hidrojen bağını A—H ··· B biçiminde düşünmek pratik bir başlangıçtır. Burada A—H, hidrojenin doğrudan bağlı olduğu kovalent bağı; B ise hidrojen bağını kabul eden, ortaklanmamış elektron çifti taşıyan elektronegatif atomu gösterir. Okul düzeyinde A ve B için en sık F, O veya N atomları kullanılır.

Oluşum için temel düzeyde şu koşullar birlikte aranır:

1. Temel düzeyde N-H, O-H ve F-H bağları hidrojen bağı vericisi olarak kullanılır. Daha genel tanımda, yeterince kutuplaşmış bir X-H bağı ile elektronca zengin bir atom veya bölge arasındaki yönlenmiş çekim dikkate alınır.
2. Yakındaki elektronca zengin bir atom veya bölgede hidrojenle çekim kurabilecek ortaklanmamış elektron çifti ya da benzeri elektron yoğunluğu bulunmalıdır. Temel düzeyde bu görev çoğunlukla F, O veya N atomlarıyla açıklanır; ancak uygun koşullarda kükürt gibi elektronca zengin merkezler de rol alabilir.

F, O ve N’nin bağ elektronlarını hidrojene göre daha güçlü çekmesi, bağın kutuplaşmasına yol açar. Hidrojen tarafında kısmi pozitif yük, elektronegatif atom tarafında kısmi negatif yük oluşur. Bu yükler tam iyon yükü değildir; bu nedenle hidrojen bağını iyonik bağ (iyonik-bag-nedir) olarak adlandırmak doğru olmaz.

Hidrojen bağının yönü de önemlidir. A—H bağındaki hidrojen, mümkün olduğunca karşıdaki B atomuna yaklaşır. Dolayısıyla yalnızca atomların aynı maddede bulunması yetmez; moleküllerin geometrik olarak uygun konumlanması da etkileşimin gücünü etkileyebilir. Aynı tür atomları içeren iki molekül, farklı şekillere sahip olduklarında farklı sayıda veya farklı güçte hidrojen bağı kurabilir.

2. Kovalent bağ ile hidrojen bağını aynı çizgide okumamak

Su molekülündeki O—H bağı kovalent bağdır: oksijen ve hidrojen atomları elektronları ortaklaşa kullanarak aynı molekül içinde bağlanır. Bir su molekülünün hidrojeni ile başka bir su molekülünün oksijeni arasındaki çekim ise hidrojen bağıdır. Bu iki etkileşim aynı gösterimde karıştırılmamalıdır.

Kovalent bağlar atomları molekülün yapısında tutan güçlü kimyasal bağlardır. Hidrojen bağı ise çoğunlukla molekülleri birbirine yaklaştıran zayıf etkileşimler grubundadır. Bu nedenle hidrojen bağını koparmak, molekülün içindeki O—H veya N—H kovalent bağını koparmakla aynı olay değildir. Örneğin suyun buharlaşması sırasında su molekülleri arasındaki çekimler büyük ölçüde aşılır; suyun içindeki O—H bağlarının parçalanması gerekmez.

Hidrojen bağı, zayıf etkileşimler içinde belirgin sonuçlar doğurabilir. Bunun nedeni yalnızca tek bir etkileşimin gücü değil, aynı anda çok sayıda hidrojen bağının oluşabilmesidir. Bu yüzden moleküller arası hidrojen bağlarının toplam etkisi, maddenin kaynama, erime, çözünme ve yoğunluk gibi özelliklerinde gözlenebilir. Yine de bir maddenin kaynama noktasını yalnızca hidrojen bağının varlığıyla sıralamak doğru değildir; molekül kütlesi ve diğer çekim türleri de karşılaştırmaya katılmalıdır.

Lewis yapısı (lewis-yapisi-nedir), özellikle B atomundaki ortaklanmamış elektron çiftlerini görmeyi kolaylaştırır. Oktet kuralı (oktet-kurali-nedir) ise atomların bağlanma eğilimlerini anlamaya yardım eder; fakat hidrojen bağının kendisi, atomlar arasında yeni bir elektron ortaklaşması oluşturan kovalent bağ değildir.

3. Suyun kaynama ve donma davranışında hidrojen bağının payı

Su moleküllerinde oksijene bağlı hidrojenler kısmi pozitif, oksijen ise kısmi negatif karakter taşır. Bir su molekülünün hidrojenleri ile diğer su moleküllerinin oksijenleri arasındaki çekim, sıvı hâlde sürekli oluşup yeniden düzenlenen bir etkileşim ağı meydana getirir.

Kaynama sıcaklığı açıklanırken koşul belirtilmelidir: Suyun deniz seviyesinde yaklaşık 1 atmosfer basınç altında kaynama sıcaklığı 100 °C olarak verilir. Bu değer, hidrojen bağlarının su moleküllerini birbirinden ayırmayı zorlaştıran toplam etkisiyle ilişkilidir. Basınç değiştiğinde kaynama sıcaklığı da değişebileceğinden, 100 °C değeri her koşula genellenmemelidir.

Donma sırasında su molekülleri daha düzenli bir yapı oluşturur. Bu düzenlenme, moleküller arasında daha açık bir yapı oluşmasına ve buzun sıvı suya göre daha düşük yoğunlukta olmasına katkı verir. Bu nedenle buz, sıvı suyun üzerinde yüzebilir. Bu sonuç yalnızca suyun formülünden değil, moleküllerin hidrojen bağlarıyla düzenlenme biçiminden kaynaklanır.

Suyun yüksek özgül ısısı ve sıcaklık değişimlerine karşı görece dirençli davranması da moleküller arası hidrojen bağlarıyla ilişkilendirilir. Ancak burada dikkat edilmesi gereken nokta, hidrojen bağlarının suyun bütün fiziksel özelliklerinin tek nedeni olmadığıdır. Su molekülünün kutupluluğu ve moleküller arası diğer çekimler de toplam davranışa katkıda bulunur.

4. DNA ve proteinlerde bağın görevi neden aynı değildir?

DNA’da hidrojen bağları, karşılıklı bazlar arasındaki eşleşmeyi destekler. Adenin ile timin arasında iki, guanin ile sitozin arasında üç hidrojen bağı bulunur. Bu bağlar DNA’nın iki ipliğini bir arada tutmaya yardım eder. Aynı zamanda ipliklerin gerektiğinde ayrılabilmesi açısından kovalent bağlar gibi kalıcı ve koparılması çok zor bir yapı oluşturmazlar.

Bu bilgiyi sınav sorularında kullanırken iki ayrı sonucu ayırmak gerekir: Baz eşleşmesine özgüllük kazandıran etkileşim hidrojen bağlarıyla ilişkilidir; DNA’nın her ipliğindeki nükleotitleri birbirine bağlayan ana omurga ise hidrojen bağı olarak düşünülmemelidir. Yani DNA’daki her bağ hidrojen bağı değildir.

Proteinlerde hidrojen bağları, amino asit zincirinin belirli bölgelerinde alfa sarmal ve beta katlı tabaka gibi ikincil yapıların oluşmasına katkı verir. Bu yapıların düzeni, proteinin daha ileri düzeydeki üç boyutlu biçimini ve işlevini etkileyebilir. Bir proteinin işlevini yalnızca hidrojen bağlarının sayısıyla açıklamak yeterli değildir; zincirin amino asit dizisi ve diğer etkileşimler de önem taşır.

DNA’daki baz eşleşmesi ile proteinlerdeki katlanma aynı türden bir yapısal sonuç değildir. İlkinde karşılıklı bazların tanınması ve iki ipliğin eşleşmesi öne çıkarken, ikincisinde zincirin belirli bölümlerinin uzayda düzenlenmesi öne çıkar.

5. Çözümlü örnekler: Bir molekülde hidrojen bağı aranması

Örnek 1 — Su molekülleri: Verilenler: H₂O molekülünde iki O—H bağı vardır; oksijen elektronegatif bir atomdur ve ortaklanmamış elektron çiftleri taşır.

Çözüm adımları:

1. Hidrojenin hangi atoma bağlı olduğunu kontrol ederiz. Hidrojen, oksijene doğrudan bağlıdır; bu nedenle O—H grubu hidrojen bağı vericisi olabilir.
2. Yakındaki başka bir su molekülünde oksijenin ortaklanmamış elektron çifti bulunur. Bu oksijen hidrojen bağı kabul edebilir.
3. Birinci moleküldeki O—H hidrojenini, ikinci moleküldeki oksijenle eşleştiririz.
4. Etkileşimi O—H ··· O biçiminde gösteririz.

Sonuç: Su molekülleri arasında hidrojen bağı oluşabilir. Buradaki O—H bölümü kovalent bağ, O—H ··· O arasındaki kesikli çizgi ise hidrojen bağıdır.

Örnek 2 — Hidrojen içeren iki farklı molekülün karşılaştırılması: Verilenler: Birinci molekülde hidrojen oksijene bağlıdır. İkinci molekülde hidrojen karbon atomuna bağlıdır. Temel düzey sorularda F-O-N ölçütü kullanılır; ancak bu, hidrojen bağlarının genel ve istisnasız tanımı değildir.

Çözüm adımları:

1. Birinci molekülde O—H bağı bulunduğu için hidrojen bağı vericisi olma koşulu sağlanır.
2. İkinci molekülde C—H bağı bulunduğu için bu hidrojen, temel düzey sorulardaki sadeleştirilmiş ölçüte göre genellikle hidrojen bağı vericisi olarak kabul edilmez. Ancak bu, mutlak bir kimya kuralı değildir; özel koşullarda C-H···X etkileşimleri görülebilir.
3. Molekülde yalnızca hidrojen bulunmasına bakarak karar vermeyiz; hidrojenin bağlı olduğu atomu ve moleküler ortamı dikkate alırız.

Sonuç: Birinci molekül, uygun bir ortaklanmamış elektron çifti taşıyan F, O veya N atomuyla hidrojen bağı kurabilir. İkinci molekül için yalnızca hidrojen içeriyor olması yeterli kanıt değildir; çoğu temel düzey soruda C-H grubu hidrojen bağı vericisi sayılmaz, ancak özel koşullarda zayıf hidrojen bağı etkileşimleri mümkün olabilir. Bu yöntem, seçeneklerde su, amonyak, hidrojen florür veya alkoller gibi maddeler karşılaştırılırken doğrudan uygulanabilir.

6. Sık yapılan hatalar ve karıştırılan sınır durumları

Hidrojen bulunan her maddede hidrojen bağı olduğunu düşünmek: Yanlıştır. Lise düzeyinde pratik ölçüt olarak hidrojenin doğrudan F, O veya N atomuna bağlı olması kullanılabilir; ancak genel ifadede hidrojenin yeterince pozitifleşmesi ve karşı tarafta uygun elektronca zengin bir atom ya da bölgenin bulunması gerekir. C—H bağı içeren bir molekül, yalnızca hidrojen taşıdığı için otomatik olarak hidrojen bağı kuran madde sayılmaz; bununla birlikte özel koşullarda bazı C-H grupları zayıf hidrojen bağı vericisi olabilir.

Hidrojen bağını kovalent bağ sanmak: A—H kısmı kovalent bağdır; A—H ··· B arasındaki çekim hidrojen bağıdır. Molekül içindeki atomları bağlayan çizgi ile moleküller arası çekimi gösteren kesikli çizgi farklı anlam taşır.

Hidrojen bağını iyonik bağla eşitlemek: Kısmi yüklerin bulunması, atomların tam iyonlara dönüştüğü anlamına gelmez. Hidrojen bağı elektrostatik karakterli özel bir zayıf etkileşimdir; iyonik bağ ise zıt yüklü iyonlar arasındaki çekimle açıklanır.

Su 100 °C’de her koşulda kaynar demek: 100 °C değeri yaklaşık 1 atmosfer basınç koşuluna bağlıdır. Basınç değişirse kaynama sıcaklığı da değişebilir.

DNA’daki bütün bağları hidrojen bağı kabul etmek: Adenin-timin ve guanin-sitozin arasındaki baz eşleşmelerinde hidrojen bağları bulunur; fakat DNA’nın yapısındaki diğer bağ türleriyle bu etkileşimler birbirine karıştırılmamalıdır.

Hidrojen bağlarının zayıf olmasını önemsiz sanmak: Tek bir hidrojen bağı güçlü kovalent bağlarla aynı değildir; buna karşın çok sayıda molekül arasında birlikte oluştuğunda suyun ve biyomoleküllerin davranışını belirgin biçimde etkileyebilir.

Molekül içi ve moleküller arası hidrojen bağını ayırmamak: Farklı moleküller arasındaki çekim moleküller arasıdır. Aynı molekülün farklı bölgeleri uygun konumdaysa molekül içi hidrojen bağı söz konusu olabilir. Karar verirken bağın iki ucunun aynı molekülde mi, farklı moleküllerde mi bulunduğuna bakılmalıdır.