Maddeye giden ilk basamak olan atomlardan sonra ikinci basamak da moleküllerdir. Moleküller, bir maddenin kimyasal özelliklerini belirten en küçük birimleridir. Moleküller iki veya daha çok atomdan oluşur; bazıları da binlerce atom gruplarından oluşur. Bütün çeşitliliği ile madde, atomlardan meydana gelen moleküllerin çeşitli biçimlerde biraraya gelmeleriyle oluşmuştur.
Atomların molekülleri oluşturması veya moleküllerin ayrışarak atomlarına ayrılması, genel olarak "kimyasal reaksiyon" olarak adlandırılır. Kimyasal reaksiyonlar laboratuvarlarda yapıldığı gibi, doğada, vücudumuzda, bir yemek fırınında, çamaşır makinasında, atmosferde vs. heryerde ve her an gerçekleşmektedir. Acaba atomlar nasıl ve neye göre kimyasal reaksiyona girerler?
Atomları, molekül içinde elektromanyetik çekim kuvvetine dayalı kimyasal bağlar birarada tutar. Her atomun başka bir atomla özel bir birleşme kabiliyeti vardır. Bu birleşmeler, atomların dış yörüngelerindeki elektronlar aracılığıyla yapılır. Her yörüngenin alabileceği maksimum elektron sayısı sabittir. Her atom en dıştaki yörüngesini, alabileceği maksimum elektron sayısına tamamlama gayreti içindedir. Bunun için ya en dış yörüngesindeki elektronları maksimum sayıya tamamlamak için başka atomlardan elektron alır ya da en dış yörüngesinde az sayıda elektron varsa, bunları bir başka atoma vererek önceden tamamlanmış olan bir alt yörüngeyi en dış yörüngesi haline getirir. Atomların bu genel eğilimi, birbirleri arasında yaptıkları kimyasal reaksiyonların temel itici gücünü oluşturur. Birbirlerinin bu eğilimlerine karşılıklı birebir cevap verebilecek atomlar yanyana geldiklerinde gereken enerji de sağlandığı takdirde bahsettiğimiz alışverişi gerçekleştirirler. Bu alışveriş sonucunda aralarında kimyasal bir bağ kurulur. Atomların aralarında bu şekildeki bir kimyasal bağla oluşturdukları yapıya molekül adı veriyoruz.
Atomun içindeki dengelerin, parçacıkların birbirleriyle etkileşimlerinin ve atoma etki eden kuvvetlerin aralarındaki ilişkilerin bir tanesi bile tesadüfle açıklanamaz. Düşünün ki evrende var olan herşey atomlardan oluşmuştur. Bu atomlar öyle küçüktürler ki tek bir toplu iğne ucundaki atomların sayısı bile trilyonları aşmaktadır. O halde tüm evrendeki atomların sayısı telaffuz dahi edilemeyecek bir miktardadır. Bu kadar çok sayıdaki atomun herbirinin içinde, insan aklının sınırlarının çok ötesinde bir faaliyet vardır. Bu düzenli faaliyet ise, elbette ki tesadüfler neticesinde atomun içine girip yerleşmiş olamaz.
Kimyasal Bağlar
Az önce bahsedildiği gibi, atomlar son yörüngelerindeki elektron sayılarını maksimuma tamamlama amacındadırlar. Bu amaçlarını da, diğer atomlarla 3 çeşit bağ kurarak gerçekleştirirler. Bunlar iyonik bağ, kovalent bağ ve metalik bağdır. Bu bağların özellikleri nedir ve nasıl kurulurlar, kısaca ele alalım.
Atom, eğer dış yörüngesinde 4'ten az elektronu varsa bunları verme, 4'ten fazla elektronu varsa dışarıdan elektron alma eğilimindedir. Atomların bu şekilde birbirleriyle elektron alıp-vererek birleşmeleri "iyonik bağ" olarak isimlendirilir.
Eğer 2 tane atom, dış yörüngelerindeki elektronları ortak kullanırsa buna "kovalent bağ" denir. Kovalent bağın daha iyi anlaşılabilmesi için kolay bir örnek verelim: Hidrojen atomunda tek bir elektron vardır. Daha önce elektron yörüngelerinden bahsederken de belirttiğimiz gibi atomların ilk yörüngelerinde en fazla 2 elektron taşınabilir. Hidrojen atomu tek bir elektrona sahiptir ve elektron sayısını 2'ye çıkarıp kararlı bir atom olma eğilimindedir. Bu yüzden hidrojen atomu 2'nci bir hidrojen atomuyla kovalent bağ yapar. Yani, 2 hidrojen atomu da birbirlerinin tek elektronlarını 2. elektron olarak kullanır. Böylece H2 molekülü oluşur.
Eğer çok sayıda atom, birbirlerinin elektronlarını ortaklaşa kullanarak birleşiyorlarsa bu kez "metalik bağ" sözkonusudur.
Acaba tüm bu bağlarla, kaç farklı bileşik oluşabilmektedir?
Laboratuvarlarda, hergün yeni yeni bileşikler oluşturulmaktadır. Ancak şu an için yaklaşık 2 milyon bileşikten bahsetmek mümkündür.16 En basit kimyasal bileşik, hidrojen molekülü kadar ufak olabildiği gibi, milyonlarca atomdan oluşan bileşikler de vardır.
Bir element acaba en fazla kaç değişik bileşik oluşturabilir? Bu sorunun cevabı oldukça ilginçtir. Çünkü bir tarafta hiçbir elementle birleşmeyen bazı elementler (soygazlar) vardır. Diğer tarafta ise 1.700.000 bileşik oluşturabilen karbon atomu vardır. Toplam bileşik sayısının 2 milyon kadar olduğunu tekrar hatırlarsak, 109 elementin 108'i toplam 300.000 bileşik yapmaktadırlar. Ancak karbon olağanüstü bir şekilde tek başına tam 1.700.000 bileşik yapabilmektedir.
Canlı Hayatının Temel Taşı: Karbon Atomu
Karbon, canlı hayatı için en hayati elementtir. Çünkü bütün canlı maddeler karbon bileşiklerinden oluşmuşlardır. Bizlerin varlığı için bu kadar önemli olan karbon atomunun özelliklerini sayfalarca yazsak bitiremeyiz, nitekim kimya bilimi de henüz bu özelliklerin tümünü keşfedebilmiş değildir. Biz burada karbonun çok önemli birkaç özelliğinden bahsedeceğiz.
Karbonun rekor sayıda (1.7 milyon) bileşik yapabilmesinin sebebi nedir?
Karbonun en önemli özelliklerinden birisi, birbiri ardınca dizilerek çok kolay zincir oluşturabilme özelliğidir. En kısa karbon zinciri 2 karbon atomundan oluşur. En uzun zincirin kaç karbon atomundan oluştuğu konusunda kesin bir rakam verilemez, ancak yaklaşık olarak 70 halkalı bir zincirden bahsedilebilir.17 Karbon atomundan sonra en uzun zincir oluşturabilen atomun, 6 halka ile silisyum atomu olduğunu düşünürsek, karbon atomundaki olağanüstü durum daha iyi farkedilebilir.
Karbonun bu kadar çok halkalı zincir yapabilmesinin sebebi, zincirlerinin sadece düz çizgi şeklinde olmamasıdır. Zincirler dallar halinde de olabilirler, çokgenler de oluşturabilirler.
Bu noktada, zincirin şeklinin önemi çok büyüktür. İki karbon bileşiğinde, eğer karbon atomu sayısı aynı olup da bileşiklerin zincir biçimleri farklıysa, ortaya 2 farklı madde çıkmaktadır. Karbon atomunun, yukarıda saydığımız özellikleri ile, canlı hayatı için çok büyük önemi olan moleküller yaratılmaktadır.
Yanyana Gelen Her Atom Hemen Reaksiyona Girseydi Ne Olurdu?
Az önce tüm evrenin 109 elementin atomlarının birbirleriyle reaksiyona girmeleri sonucu oluştuğunu söylemiştik. Burada, üzerinde dikkatle durulması gereken bir nokta vardır; o da, tepkimenin oluşabilmesi için çok önemli bir koşulun gerçekleşmesi gerektiğidir.
Örneğin, oksijenle hidrojen her biraraya geldiğinde su oluşmaz. Ya da demir havayla temas eder etmez hemen paslanmaz. Eğer öyle olsaydı, katı ve parlak bir metal olan demir, birkaç dakika içinde yumuşak bir toz olan demir okside dönüşürdü. Durum böyle olmasaydı yeryüzünde metal diye bir madde kalmazdı. Çok tuhaf bir dünyada yaşardık. Yanyana gelen 2 maddenin atomları hemen tepkimeye girerdi. Böyle bir durumda ise, koltuğa bile oturmanız mümkün olamazdı. Çünkü koltuğu oluşturan atomlarla vücudunuzu oluşturan atomlar hemen tepkimeye girer ve koltuk-insan arası bir varlık (!) olurdunuz. Şüphesiz ki, böyle bir dünyada canlı hayatın varlığı sözkonusu bile olamazdı. Acaba, böyle bir sonucun yaşanmasını ne engellemektedir?
Bir örnekle açıklamak gerekirse, hidrojen ve oksijen molekülleri oda sıcaklığında çok yavaş tepkimeye girerler, yani "su" oda sıcaklığında çok yavaş oluşur. Ancak, ortamdaki sıcaklık arttığında moleküllerin enerjileri de artar ve tepkime hızlanır, yani su daha hızlı oluşur.
Bilimadamları bu durumu açıklayabilmek için, "Aktifleşme Enerjisi" diye adlandırdıkları bir kavram ortaya atmışlardır. Bu kavram, moleküllerin tepkimeye girebilmeleri için gerekli enerji sınırını ifade etmektedir. Su örneğinde görüldüğü gibi, hidrojen ve oksijen moleküllerinin tepkimeye girip suyu oluşturabilmeleri için, enerjilerinin aktifleşme enerjisinden yüksek olması gerekmektedir.
Düşünün ki, yeryüzündeki sıcaklık biraz daha yüksek olsaydı atomlar çok çabuk tepkimeye girerdi ve doğadaki denge de bozulurdu. Ancak tersi olsaydı, yeryüzündeki sıcaklık daha düşük olsaydı, bu durumda da atomlar tepkimeye girmekte çok ağır kalacaklar ve doğadaki dengeler yine bozulacaktı. Bundan da anlaşıldığı gibi Dünya'nın güneş sistemindeki konumu, tam olarak canlı hayatına uygun olacak bir noktadadır. Elbette ki canlılık için gereken hassas dengeler bununla kısıtlı değildir. Dünyanın eksenindeki eğim, kütlesi, yüzey genişliği, atmosferindeki gazların oranı, uydusu ay ile arasındaki mesafe ve daha sayabileceğimiz birçok faktör, sadece ve sadece şu andaki değerleriyle mevcut olduklarında canlıların hayatta kalması mümkün olmaktadır. Bundan da anlaşılan, tüm bu faktörlerin hepsinin birbiri ardınca tesadüflerle olmayacağı, hepsinin de canlıların tüm özelliklerini bilen üstün bir kudret tarafından bilinçli bir şekilde varedildikleridir.
Kuşkusuz bilimin bu noktada verdiği cevap, karşı karşıya bulunduğu fizik kurallarına bir isim takmaktan ibarettir. En başta da belirttiğimiz gibi bu tür olaylarda ne, nasıl, ne şekilde gibi soruların pek bir anlamı yoktur. Bu sorularla ulaşabildiğimiz ancak, zaten var olan bir kuralın detaylarıdır. Bu kuralın niçin ve kim tarafından varedildiği bilim açısından yine bir muammadır.
İşte bilimin cevap veremediği bu noktada, aklı ve vicdanıyla bakan bir göz için durum son derece açıktır: Hiçbir şekilde tesadüflerle açıklanamayacak olan evrendeki kusursuz dengeler, üstün bir aklın ve iradenin dilemesi sonucu gerçekleşmiştir.
MUCİZE BİR MOLEKÜL: SU
Dünyamızın üçte ikisi su ile kaplıdır ve yeryüzünde yaşayan bütün canlıların %50-%95'i sudan oluşmaktadır. Kaynama noktasına yakın sıcaklıktaki kaynaklarda yaşayan bakterilerden tutun da, erimekte olan buzulların üzerindeki bazı özel yosunlara kadar, suyun olduğu heryerde ve her sıcaklıkta hayat vardır. Yağmurdan sonra yapraklar üzerinde kalan bir su damlacığında bile binlerce mikroskopik canlı doğar, çoğalır ve ölür.
Yeryüzünde hiç su olmasa yeryüzü nasıl görünürdü? Şüphesiz her yer çölden ibaret olurdu, denizlerin yerlerinde dipsiz ve ürkütücü çukurlar yeralırdı. Gökyüzü de bulutsuz ve çok garip renkte görülürdü.
Yeryüzündeki hayatın temeli olan suyun oluşabilmesi ise aslında son derece zordur. Öncelikle suyun bileşenleri olan hidrojen ve oksijen moleküllerini bir cam kabın içinde düşleyelim. O kabın içinde çok uzun bir süre bırakalım. Bu gazlar kabın içinde yüzlerce yıl bile hiç su oluşturmayabilirler. Oluştursalar da çok yavaş olarak, mesela binlerce yıl sonra kabın dibinde çok az su farkedilebilir.
Böyle bir durumda suyun bu derece yavaş oluşmasının sebebi sıcaklıktır. Oda sıcaklığında oksijenle hidrojen çok yavaş tepkimeye girerler .
Oksijen ve hidrojen, serbest halde iken H2 ve O2 molekülleri halinde bulunurlar. Bu moleküllerin su molekülünü oluşturmak için birleşmeleri için çarpışmaları gerekir. Bu çarpışma sonucunda, hidrojen ile oksijen molekülünü oluşturan bağlar zayıflar ve oksijen ile hidrojen atomlarının birleşmesine engel kalmaz. Sıcaklık, bu moleküllerin enerjisini, dolayısıyla hızlarını arttırdığı için çarpışmaların sayısını da büyük ölçüde arttırır. Böylece, tepkimenin hızlı ilerlemesini sağlar. Ancak, şu anda yeryüzünde suyun oluşmasını sağlayacak kadar yüksek ısı yoktur. Suyun oluşması için gerekli olan ısı, dünya oluşurken sağlanmış ve dünyanın dörtte üçlük kısmını oluşturan su o zaman oluşmuştur. Artık bu su kaynakları buharlaşarak atmosfere yükselmekte, orada da soğuyarak yağmur şeklinde yeniden yeryüzüne dönmektedir. Yani mevcut miktara yeni bir ilave olmaz, sadece bir çevrim yaşanır.
Su, kimyasal olarak pekçok olağanüstü özelliğe sahiptir. Herbir su molekülü hidrojen ve oksijen atomlarının birleşmesiyle oluşmuştur. Biri yakıcı, diğeri de yanıcı olan iki gazın birleşerek bir sıvıyı, hem de suyu oluşturuyor olmaları oldukça ilginçtir.
Kimyasal olarak suyun nasıl oluştuğuna gelince; suyun elektrik yükü sıfır yani nötrdür. Ancak oksijen ve hidrojen atomlarının büyüklüklerinden dolayı su molekülünün oksijen tarafı hafifçe eksi, hidrojen tarafı da hafifçe artı yüklüdür. Birden fazla su molekülü biraraya geldiğinde artı ve eksi yükler birbirini çekerek "hidrojen bağı" denilen çok özel bir bağı oluşturur. Hidrojen bağı çok zayıf bir bağdır ve ömrü aklımızın kavrayamayacağı kadar kısadır. Bir hidrojen bağının ömrü, yaklaşık olarak bir saniyenin yüzmilyarda biri kadardır. Ama bağlardan biri kırıldığında hemen bir diğer bağ oluşur. Böylece su molekülleri birbirlerine yapışırlar ve diğer taraftan zayıf bir bağla birbirlerine bağlandıklarından akışkan olurlar.
Hidrojen bağlarının suya kattığı bir başka özellik de, suyun sıcaklık değişimlerine direnç göstermesidir. Havanın sıcaklığı aniden artsa bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar, aynı şekilde havanın sıcaklığı aniden düşse bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş düşer. Suyun sıcaklığının önemli oranda oynayabilmesi için çok büyük miktarlarda ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Suyun ısı enerjisinin bu derece yüksek olmasının canlı hayatına sağladığı çok büyük faydalar vardır. Çok basit bir örnek verecek olursak, vücudumuzda çok büyük oranda su vardır. Su eğer havadaki ani sıcaklık iniş ve çıkışlarına aynı oranda uysaydı aniden ateşimiz çıkardı veya aniden donardık.
Aynı şekilde, suyun buharlaşmak için de çok büyük bir ısı enerjisine ihtiyacı vardır. Su buharlaşırken, çok ısı enerjisi kullandığı için suyun sıcaklığında eksilme olur. Yine insan vücudundan bir örnek verecek olursak; vücudumuzun normal sıcaklığı 36 oC'dir ve dayanabileceğimiz en yüksek sıcaklık 42 oC'dir. Aradaki bu 6 oC'lik aralık çok küçük bir aralıktır ve birkaç saat güneş altında çalışmak vücut sıcaklığını bu kadar arttırabilir. Ancak vücudumuz terleyerek, yani içindeki suyu buharlaştırarak çok büyük miktarda ısı enerjisi harcar ve vücut sıcaklığı düşer. Vücudumuz otomatik olarak çalışan böyle bir mekanizmya sahip olmasaydı, birkaç saat güneş altında çalışmak bile bizler için öldürücü olurdu.
Hidrojen bağlarının suya kazandırdığı bir başka olağanüstü özellik, suyun sıvı iken katı haline oranla daha yoğun olmasıdır. Halbuki, yeryüzündeki maddelerin çoğu katı iken sıvı haline oranla daha yoğundur. Ancak, su diğer maddelerin tersine donarken genleşir. Bunun sebebi hidrojen bağlarının su moleküllerinin birbirlerine sıkı şekilde bağlanmasını engellemesi ve arada birçok boşluğun kalmasıdır. Su sıvı iken hidrojen bağları kırıldığından oksijen atomları birbirine yaklaşır ve daha yoğun bir yapı elde edilir.
Bu durum aynı şekilde buzun sudan daha hafif olmasını da beraberinde getirir. Normalde herhangi bir metali eritip içine aynı metalden birkaç katı parça atsanız, bu parçalar hemen dibe çöker. Ancak suda durum farklıdır. Onbinlerce ton ağırlığındaki buz dağları suyun üzerinde mantar gibi yüzmektedirler. Peki suyun bu özelliğinin ne gibi bir faydası olabilir?
Bu soruyu bir ırmak örneği ile cevaplayalım: Havalar çok soğuduğunda ırmaktaki suyun tamamı değil, sadece üzeri donar. Su, +4 oC'de en ağır halindedir ve bu dereceye ulaşan su hemen dibe çöker. Suyun üzerinde 'katman halinde buz' oluşur. Bu katmanın altında su akmaya devam eder ve +4 oC canlıların yaşayabileceği bir sıcaklık olduğu için sudaki canlılar bu sayede hayatlarını sürdürürler.
Buraya kadar bahsettiğimiz, Allah'ın suya vermiş olduğu muhteşem özellikler; yeryüzünde canlı hayatının varolabilmesini mümkün kılan özelliklerdir. Aşağıdaki ayette de görebileceğiniz gibi, üstün bir yaratılış örneği olan su, Allah tarafından, insanın ihtiyaçlarını karşılamaya yönelik olarak gökten indirilmiştir. Kuran'da Allah'ın insanlara sunduğu bu büyük nimetin önemi şöyle bildirilmiştir:
Sizin için gökten su indiren O'dur; içecek ondan, ağaç ondandır (ki) hayvanlarınızı onda otlatmaktasınız. Onunla sizin için ekin, zeytin, hurmalıklar, üzümler ve meyvelerin her türlüsünden bitirir. Şüphesiz bunda, düşünebilen bir topluluk için ayetler vardır. (Nahl, 10-11)
Suyun Kimya Kurallarını Altüst Eden Özelliği
Hepimizin de bildiği gibi su 100 oC sıcaklıkta kaynar ve 0 oC sıcaklıkta donar. Ancak, normal şartlarda suyun 100 oC değil, -80 oC kaynaması gerekirdi. Neden mi?
Periyodik tabloda aynı gruptaki elementlerin özellikleri, hafif elementten ağır elemente doğru düzenli değişiklikler gösterir. Bu düzenlilik, özellikle hidrojen bileşiklerinde hakimdir. Periyodik tabloda oksijenin bulunduğu grupta bulunan elementlerin bileşikleri hidrid diye adlandırılır. Su, aslında oksijen hidrid'dir. Bu gruptaki diğer elementlerin hidridleri su molekülü ile aynı molekül yapısına sahiptirler.
Bu bileşiklerin kaynama noktaları kükürtten başlayıp daha ağır olanlara doğru düzenli bir şekilde değişir; ancak umulmadık bir şekilde suyun kaynama noktası bu dizinin dışına çıkar. Su (oksijen hidrid) olması gerekenden 180 oC daha yüksekte kaynar. Bir diğer şaşırtıcı durum da suyun donma noktası ile ilgilidir: Yine periyodik sistemdeki düzene göre, suyun -100 oC sıcaklıkta katılaşması gerekir. Ancak su bu kuralı bozar ve olması gerekenden 100 oC yukarıda, yani 0 oC de buz haline gelir.
Eğer su, periyodik sistemdeki düzene göre hareket etseydi, yeryüzünde sadece buhar olarak bulunurdu. Bu noktada; niçin hidritlerden başka biri değil de, sadece suyun (oksijen hidrit) periyodik sistem kurallarına uymadığı sorusu akla gelmektedir.
Gerek fizik kuralları, gerek kimya kuralları ya da kural olarak nitelendirdiğimiz ne varsa; insanların, evrendeki olağanüstü dengenin ve yaratılışın sebebini açıklama gayretinden başka şeyler değildirler. Bu kurallar, her ne kadar süslü isimlerle anılsalar da, bu isimler bu kuralların gerçekten işlediğini ispatlamaz. Nitekim, az önce ele aldığımız gibi, "su" evrende canlı yaşamın var olabilmesine en uygun şekilde ve kimya kurallarını alt-üst edecek şekilde yaratılmıştır. Aşağıdaki ayette de bildirildiği gibi; Allah, gökte ve yerde ne varsa, herşeye bizler için boyun eğdirmiştir. "Su" da bu boyun eğdirişe çok güzel bir örnektir.
Kendinden (bir nimet olarak) göklerde ve yerde olanların tümüne sizin için boyun eğdirdi. Şüphesiz bunda, düşünebilen bir kavim için gerçekten ayetler vardır. (Casiye, 13)
Alıntıdır.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder