Kimyasal Tepkime Nedir? 2021 Nobel Kimya Ödülü Kimyasal Tepkimelerde Neleri Değiştirdi?

Kimyasal tepkime, bir madde grubunun başka bir madde grubu ile etkileşime girip kendi özelliklerini kaybederek başka bir madde oluşturması olayıdır. Kimyasal tepkimeyi başlatan ve kimyasal tepkime sonucu oluşan ürünler kimyasal denklem ile ifade edilmektedir. Denklemde tepkimeyi başlatan ürünler sol tarafta, tepkime sonucu oluşan ürünler ise sağ tarafta gösterilir.

Örnek verecek olursak hidroklorik asit ve çinko maddeleri ile gerçekleşen tepkime Zn+2HCl→ZnCl₂+H₂ şeklinde ifade edilmektedir. Tepkimeyi başlatan hidroklorik asit (HCl) ile çinko (Zn) sol tarafta, tepkime sonucu ortaya çıkan çinko klorür (ZnCl₂) ile hidrojen (H₂) ise sağ taraftadır.

Kimyasal tepkimeler aslında hepimizin günlük hayatta şahitlik ettiği olaylardır. Yanma, paslanma, fotosentez, yiyeceklerin midede sindirimi, mayalanma, solunum gibi daha birçok olay, aslında bir kimyasal değişim, yani kimyasal tepkimedir.

Kimyasal Tepkimeler Neden Olur?

Atom çekirdeği etrafında dönen elektronların bütün konfigürasyonları eşit kararlılığa sahip değildir. Eğer bir konfigürasyon, diğer konfigürasyona göre daha kararlı ise, atomlar o daha kararlı olan konfigürasyona geçmeye eğilimli olacaktır. Burada "konfigürasyondan" kasıt, elektronların atom etrafında bulunabileceği yörüngelerin/pozisyonların farklı dağılımlarıdır. Elektron alışverişi veya elektron paylaşımı gibi isimlerle tarif ettiğimiz kimyasal tepkimeler, atomun daha stabil bir yapıya kavuşmasını sağlar ve böylece ek bir tepkimeye girmeye gerek kalmaz. Bir diğer deyişle kimyasal tepkimeler, atomların kendilerini daha stabil konfigürasyonlara dönüştürebilecek şartlarda gerçekleşen elektron olaylarıdır.

İki veya daha fazla atom/molekül arasında ne tür bir tepkime gerçekleşeceğini, genellikle değerlik elektron sayısı adı verilen, elektron yörüngelerinin son katmanındaki elektronlar belirlemektedir. Eğer değerlik elektron sayısı dengeli bir konfigürasyona işaret ediyorsa, o atomun tepkimeye girme ihtimali çok düşük olacaktır. Örneğin 8A grubu olarak da bilinen soy gazlar son elektron katmanlarının dolu olması nedeniyle genellikle elektron almaz ve vermezler, dolayısıyla genellikle tepkimeye girmezler.

Öte yandan 1A grubu olarak da bilinen alkali metaller, son yörüngelerinde kopmaya çok hazır 1 tanecik elektron bulunduğu için, özellikle de "halojenler" olarak bilinen 7A grubundaki atomlarla çok rahatlıkla tepkimeye girebilirler. Örneğin Sodyum ve Klor tepkimesinde her iki atomun da değerlilik elektron sayısı tepkime için uygundur: Sodyumun daha stabil bir konfigürasyona geçebilmesi için 1 elektron vermesi yeterlidir; klorun ise daha stabil bir konfigürasyona geçebilmesi için 1 elektron alması yeterlidir. Bu nedenle tepkime çok kolay gerçekleşmektedir.

Eğer tepkimeye giren 1 alkali metal ile 2 halojen olsaydı, 1 halojen arta kalırdı çünkü bu tepkimede 1 alkali metale 1 halojen düşmektedir. Geriye kalan halojen arta kalmaktadır. Bazı durumlarda atomların hiçbiri birbirine uyuşmadığı için tepkime gerçekleşmez. Tepkimenin gerçekleşip gerçekleşmeme durumu değerlilik elektron sayısına bağlıdır.

Sabit Oranlar Yasası

Tepkime sonucu bir bileşik oluşurken, atomlar belli bir orana göre tepkimeye girmektedir. Buna, sabit oranlar yasası denmektedir. Bu yasaya göre bir bileşikteki atomların kütlece diğer atomlara göre yüzdelik bir oranı vardır. Örneğin suyun 18 gramında 16 gram oksijen varken geri kalan 2 gramı hidrojendir. 9 gram su alınırsa bunun 8 gramı oksijen ve 1 gramı hidrojendir. Bu oran, su ne şekilde elde edilmiş olursa olsun, kesinlikle sabittir. Bu kanunu keşfeden Joseph Proust şöyle demiştir:

Bir element başka bir elementle birleşerek bileşik oluşturduklarında bileşik içindeki elementlerin kütleleri oranı sabittir.

Katlı Oranlar Yasası

Katlı oranlar yasası, aralarında birden fazla bileşik oluşturan elementler arasında, birinin sabit miktarıyla, birleşen diğer elementin miktarları arasında tam sayılarla ifade edilen katlı orana denir. Bu yasa 1804 yılında İngiliz kimyacı John Dalton tarafından bulunmuştur.

Bu yasaya göre aynı atomlar bazı durumlarda tepkimeye girerek başka özellikler gösteren farklı bileşikler oluşturmaktadır. Örneğin oksijen ile karbon atomlarının tepkimesinde bazı durumlarda karbondioksit, bazı durumlarda karbonmonoksit oluşmaktadır. Karbonmonoksit oldukça zehirli bir gazken karbondioksit soluk alıp verirken dışarı attığımız zehirli olmayan bir gazdır ve yeşil bitkilerin yaşamını sürdürmesi için gereken en temel gereksinimlerden biridir. Bu kanunu keşfeden Dalton ise şunları söylemiştir:

Eğer bir element, bir başka element ile birden fazla bileşik oluşturabiliyorsa, elementlerden birinin sabit miktarı ile diğer elementin değişen miktarları arasında basit ve tam sayılarla ifade edilebilen bir oran vardır.

Örneğin karbondioksit ve karbonmonoksit örneğine geri dönersek, 44 gram karbondioksitte 12 gram karbon ve 32 gram oksijen vardır. Karbonmonoksitin 28 gramında ise 12 gram karbon ve 16 gram oksijen vardır. Her iki bileşikteki karbon miktarının 12 gramı için birinde 32 diğerinde 16 gram oksijen vardır. Birinci bileşikteki oksijen kütlesinin ikinci bileşiktekine oranı 32/16=2'dir. Bu olay Dalton'a kendi adıyla anılan Dalton Atom Teorisi fikrini verdi.

2021 Nobel Kimya Ödülü

Kimyasal tepkimeler, bir maddeyi sentezlemek için kullanılır. Sentez, bir kimyasal tepkime sonucu oluşan ürünlere denir. 2021 Nobel Kimya Ödülünün sahipleri olan Benjamin List ve David MacMillan, organokataliz denilen yeni bir sentez yöntemi geliştirdikleri için bu ödülü kazandılar.

Bugün günümüzde bir çok sentez yöntemi olsa da insanlar tarafından geliştirilen yöntemlerin doğadakilere kıyasla çok daha basit ve verimsiz kaldığını söylenebilir. Canlıların vücutlarında gerçekleşen tepkimeler insanların geliştirdiği sentez yöntemlerine kıyasla daha verimlidir. Benjamin List ve David MacMillian çok daha verimli sentezler yapabilmek için küçük organik moleküllerden yararlandılar.

Asimetrik moleküller

Bir molekül birbirinin ayna görüntüsü olan ancak çakıştırılamayan iki değişik şekilde bulunabiliyorsa buna asimetrik molekül denilmektedir. Birbirinin ayna görüntüsü olan iki aynı molekül, içerdikleri atom bakımından birbirinin aynısı olsa da atomların bulunduğu yer farklı olabilmektedir. Birbirinin ayna görüntüsü olan moleküller farklı fiziksel özelliğe sahip olabilmektedirler. Örneğin bir asimetrik molekül polarize ışığı sağa çeviriyorsa, o molekülün ayna görüntüsü polarize ışığı sola çevirir.

Özellikle de farmasötik kimyagerler ilaç üretirken ayna görüntüsü olan bir molekülün sadece bir formunu sentezlemek isterler.

Katalizörler

Katalizörler bir kimyasal tepkimenin aktivasyon enerjisini düşürerek tepkimenin hızını artıran ve tepkime sonrasında kimyasal yapısında bir değişiklik meydana gelmeyen maddelerdir.

Metaller + yüklü iyonlaşarak elektron veren maddelerdir. Bu özellikleri sayesinde de bulundukları ortamdaki kimyasal tepkimelerin hızlanmasını sağlarlar. Metallerden elektron alan moleküllerdeki kimyasal bağlar zayıflar ve böylece kırılması çok zor kimyasal bağların kırılması kolaylaşır.

Fakat sorun şudur ki metaller su ve oksijenle kolayca tepkimeye girebilirler. Metallerden yararlanabilmek için ortamdan nemin ve oksijenin kaldırılması lazımdır fakat fabrika gibi tesislerde böyle bir ortam oluşturmak oldukça zordur. Ayrıca metal katalizörlerin çevreye de zararı bulunmaktadır.

Canlıların vücudunda bulunan katalizörler ise enzimlerdir. Enzimler proteinden oluşmaktadır. Bu katalizörlerin özelliklerinden biri, asimetrik katalizde çok başarılı olmalarıdır. Enzimlerin bir diğer önemli özelliği ise bir arada çalışabilmeleridir. Bir enzim işini bitirdiği zaman diğeri çalışmaya başlar. Böylece çok basamaklı karmaşık sentez süreçleri verimli bir biçimde ilerler. Klorofil ve kolesterol gibi devasa moleküllerin sentezlenmesi bir arada uyumlu ve verimli olarak çalışabilen enzimler sayesinde mümkün olmaktadır.

Organokataliz

Yeni katalizörler geliştiren pek çok araştırma grubu, 1990’larda enzim benzeri malzemeler üretmeye çalışıyordu. Bu araştırma gruplarından biri de Kaliforniya’daki Scripps Araştırma Enstitüsünde görev yapan Carlos F. Barbas’ın grubuydu. Benjamin List de o dönemde bu ekibin içinde doktora sonrası araştırmacı olarak yer almaktaydı.

List araştırmaları sırasında enzimlerin çalışma prensibini anlamak için çalışmalar yaptı. Pek çok enzim türü kimyasal tepkime esnasında bir bütün olarak yer almıyordu. Sadece enzimlerin içinde bulunan amino asitler kimyasal tepkime sırasında yer alıyordu. Bu durumda List'in aklına ''Amino asitlerin kimyasal tepkimeleri hızlandırmak için enzimlerin parçası olmaları gerekli miydi yoksa kendi başlarına da katalizör görevi görebilirler miydi ?'' sorusunu getirdi. Daha önceden bu tarz deneyler yapılsa da sonuçlar başarısızdı. Bunun karşısında List, prolin adlı bir amino asidin bir aldol tepkimesini hızlandırıp hızlandıramayacağını görmek için deneyler yapmaya karar verdi. Bu deneyler başarıyla tamamlandı. List’in yaptığı deneyler, basit yapıda ve ucuz bir amino asit olan prolinin verimli bir katalizör olmasının yanı sıra asimetrik katalizde de başarılı olduğunu gösteriyordu.

O sırada David MacMillian da Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi'nde basit organik moleküllerden kimyasal tepkimelerde katalizör olarak yararlanmak için çalışmalar yapmaktaydı. MacMillan'a göre kimyasal tepkimede yararlı olabilecek bir katalizörün iminium iyonları (azot atomları içeren bir tür organik iyon) oluşturması gerektiğini söylüyordu. Bu özelliklere sahip moleküllerle Diels-Alder tepkimesi yaptı. Sonuçlar gayet iyiydi. Ayrıca bazı organik moleküllerin asimetrik katalizde de başarılı olduğunu görmüştü.

Organokatalizörlerin sıradan metallere göre avantajlarından biri de tıpkı enzimler gibi bir arada çalışabilmeleridir. Daha önceden çok basamaklı kimyasal sentezlerde her bir basamaktaki tepkimeler ayrı ayrı gerçekleştirilirdi. Ardından oluşan ürünlerin ayrıştırılması ve saflaştırılması gerekirdi. Eğer bu gerekenler yapılmasa istenmeyen ürünlerin miktarı artar ve sentez sonucu oluşan verim ciddi derecede düşerdi. Bir arada çalışabilen organokatalizörler ise ara ürünlerin ayrıştırılıp saflaştırmasına gerek olmadan, birkaç basamağın art arda gerçekleştirilmesine imkân veriyor. Bu sayede ortaya çıkan atıkların miktarı da azalıyor.

Bu verimliliğe striknin sentezi örnek verilebilmektedir. Striknin ilk kez 1952 yılında 29 basamaklı bir süreçle sentezlenmişti. Üstelik verim sadece %0,0009’du. Başka bir deyişle her bir milyon kilogram ham madde için sadece 9 kilogram striknin elde edilebiliyordu. 2011 yılında organokatalizörler kullanılarak yapılan bir sentez ise sadece 12 basamak içeriyordu ve verimi 7.000 kat daha yüksekti.