Soygazlar ve Kimyasal Bağlar

“Kimya, yıldızlarda başlar. Yıldızlar, maddelerin yapıtaşlarının ve konumuzun içeriğinin kaynağıdır.” -Peter Atkins (kimyager ve yazar)

Bilindiği üzere güçlü kimyasal bağlar, atomların birleşip kimyasal bileşik oluşturmasına olanak sağlar. Hidrojen bağları ve van der Waals bağları gibi zayıf bağlar da mevcuttur ama onlar bu yazının konusu değil. Güçlü kimyasal bağlar temel olarak üçe ayrılır: Kovalent bağ, iyonik bağ, metalik bağ. VSEPR kuramı ve Değerlik bağ kuramı (Valence bond theory) ise bu kimyasal bağlar vasıtasıyla oluşan bileşiklerin şeklini ve yapısını tahmin etmemizi sağlar. Bu kimyasal bağlara biraz yakından bakalım:

Kovalent Bağ:

Kovalent bağlı bileşiklerde atomlar arasındaki elektronegativite ya sıfırdır (apolar kovalent bağ) ya da küçüktür (polar kovalent bağ). Elektronegativite farkı küçük olduğu için elektronlar homojen veya heterojen olarak paylaşılır. H₂ ve N₂ gibi bileşikler apolar kovalent bağlı; H₂O ve NO gibi bileşikler polar kovalent bağlı bileşiklere örnektir.

İyonik Bağ:

Kovalent bağlı bileşiklerin aksine iyonik bağlı bileşiklerde atomlar arasında elektronegativite farkı çok büyüktür ve katyonun (pozitik yüklü iyon) anyona (negatif yüklü iyon) elektron transferi aracılığıyla gerçekleşir. Katyon, genellikle metal atomu olur; anyon ise ametal iyonu. NaCl, MgO, KF, NaBr, CaCl₂ ve K₂O gibi metal tuzları iyonik bağlı bileşiklere örnektir.

Metalik Bağ:

Elektronların sabit olduğu iyonik bağlı ve kovalent bağlı bileşiklerin aksine, metallerde bir kafes yapısı mevcuttur. Bu kafesteki metal atomları arasında metalik bağlar bulunur ve sabit olmayan, serbest elektronlar bu bağlar sayesine kafesin içinde rahatça hareket edebilir. Metaller de parlaklık, elektrik ve ısı iletkenliği gibi özelliklerini bu bağlar vasıtasıyla hareket eden serbest elektronlara borçludur.

Peki ama elementlerin bileşik yapmasını sağlayan elektronegativite nedir? Elektronegativite, bağ yapımında kullanılan elektronların bağı oluşturan atomlar tarafından çekilme gücüdür. Atomlar, bileşik oluştururken bütün orbitallerini maksimum sayıda elektron ile doldurarak olabilecek en kararlı yapıya erişmek isterler. Elektron konfigürasyonu (2-7) olan ve (2-8)’e tamamlamak isteyen flor, periyodik tablonun en elektronegatif elementidir. Atomların elektrik konfigürasyonu 2-8-18-32-50… diye gider ve bileşik oluştururken değerlik orbitallerini bu sayılara tamamlamaya çalışırlar.

Bu değerlik sayılarına ulaşmaya çalışan ve elektron konfigürasyonları bu sayılara çok yakın olan elementler (örneğin flor, klor, sodyum…) çok reaktif olurlar. Bu değerlik sayılarına ulaşmış atomlar (soygazlar) ise çok kararlı olurlar ve genellikle reaktif değildirler. O halde soygazların bileşik oluşturamaması gerekirdi ama bilinen soygaz bileşikleri mevcut. Bu nasıl oluyor?

Soygazlar, (İngilizce: Noble gas yani asil gaz) periyodik tablonun belki de en ilginç grubudur. Çok asildirler çünkü diğer elementler gibi herkesle bileşik oluşturmazlar. Kimya aleminin belki de en esrarlı fenomeni olan soygazlar, daha önceki yazımızda belirttiğimiz üzere William Ramsay ve Lord Rayleigh tarafından keşfedilmiştir. Ramsey ve Rayleigh, bu çabalarından ötürü Kimya ve Fizik dallarında 1904 Nobel ödüllerini almışlardır.

1933’e kadar soygazların bileşik yapamayacağı düşünülüyordu. 1933’te Linus Pauling, ksenonun flor ve oksijenle bileşik yapabileceğini savundu; nitekim haklı da çıktı. Soygazların bütün orbitalleri dolu olduğu için ilk başta elektron vermeye hiç istekli olmayacakları yani iyonlaşma enerjilerinin çok yüksek olacağı tahmin edildi; ama bu doğru değildi. Özellikle ksenon ve kripton atomları nispeten büyük olduklarından, dış elektronları çekirdekten bir hayli uzaktır; dolayısıyla çekirdek tarafından daha az çekim kuvveti altındadırlar. Çekirdeğe yakın olan elektronlar bu dış elektronlara bir çeşit “kalkan etkisi” sunarak dış elektronların iyonlaşma enerjilerini düşürür. İyonlaşma enerjileri her ne kadar düşük olsa da, bileşik yapmak için oksijen ve flor gibi güçlü elektronegatif ve oksidan (yükseltgen) elementlere ihtiyaç duyarlar. Soygazların iyonlaşma enerjisi, bu gibi güçlü oksidanlarla bileşik yapmak için yeterince düşüktü.

Radon, ksenon, kripton, argon, neon, helyum… Soygazlar periyodik tabloda aşağıdan yukarıya böyle sıralanır. Periyodik tabloda yukarı çıktıkça iyonlaşma enerjileri de yükselir; yani atomlardan elektron koparmak zorlaşır. Helyumun sadece teoretik bileşiği olması, neonun hiç bileşiği olmaması, argonun sadece 1 bileşiği olmasına karşın kripton ve özellikle ksenonun onlarca bileşiği olması buna kanıttır. Trend bu şekilde olduğuna göre radonun da onlarca bileşiği olması gerekirdi, öyle değil mi? Evet, olması gerekirdi ama yok. Radonun bilinen 1 bileşiği var: RnF₂, o da tam incelenemedi. Radonun yüzlerce bileşik üretme potansiyeli olabilir, radonun reaktif olabileceği tahmin ediliyor ama kısa yarı-ömrü ve yüksek radyoaktivitesi nedeniyle şu ana kadar hiçbir bilimadamının ilgisini çekmemiştir bu element.

Soygazların bileşik yapamayacağı okulda bize öğretilmiş olabilir ancak bilim her gün gelişiyor ve üstüne katıyor, yani sürprizlere açık olmak lazım.

“Hayatımın en ilginç anlarından biri, William Libby’nin Princeton’a elinde küçük baryum ksenat kristalleri içeren bir kavanozla girmesi oldu; sofra tuzuna benzeyen kararlı bir bileşik, ama daha ağır. İşte kimyanın büyüsü buydu: ksenonu bir kristale hapsolmuş görmek.” -Freeman Dyson