Hidrojen-Aracılı Garip Kimyasal Bağ, Hidrojen Bağı ve Kovalent Bağın Karışımı Gibi Davranıyor!

Dünyadaki bütün kimya öğrencileri kovalent bağ ve hidrojen bağı terimlerine aşinadır. Kimyagerler, Science dergisinde yayınladıkları bir makalede bu ikisinin karışımı gibi davranan ilginç bir bağ türünü keşfettiklerini duyurdular. Makaleye göre bu bağın özellikleri, kimyasal bağların tanımına dair birçok sorunun oluşmasına sebep oluyor.^[1]

Hidrojen bağları, genelde güçlü kimyasal bağlara göre daha zayıf olan elektriksel çekimler olarak düşünülüyordu. Öte yandan kovalent bağlar, atomları molekül boyutunda bir arada tutan ve elektron paylaşımından doğan güçlü bağlardır. Şimdi araştırmacılar, hidrojen bağının alışılmadık bir biçimde güçlü bir çeşidinin aslında bir hibrit olduğunu ve elektron paylaşımı içerdiğini, böylece de hidrojen bağı ve kovalent bağ arasındaki çizgiyi bulanıklaştırdığını bildirdi. Kimyager University of Chicago’dan Andrei Tokmakoff, şöyle diyor:

Bizim öğrettiğimiz şekilde kimyasal bağlara bakış açımız, siyah ve beyaz gibidir. Yeni çalışmalara göre, aslında bir süreç var.

Tokmakoff ve meslektaşları bu hibrit bağı sudaki hidrojen diflorür adı verilen bileşikte, bir çift flor atomu arasına sıkışmış tek hidrojen atomlarını gözlemleyerek buldu. Geleneksel bilgilere göre hidrojen atomu, bir flora kovalent bağla tutunurken, diğeriyle hidrojen bağı kurar.

Araştırmacılar hidrojen diflorür iyonlarını titreştirecek kızılötesi ışık kullandılar ve hidrojen atomlarının cevabını ölçerek hidrojen atomlarının titreştiği enerji seviyelerini açığa çıkardılar. Klasik bir hidrojen bağı için bu enerji seviyeleri arasındaki aralık, atom enerji basamaklarını tırmandıkça azalmalıdır. Fakat araştırmacılar, tam tersine, araların arttığını buldu. Bu davranış hidrojen atomunun bir flora kovalent bağla sıkı bir biçimde, diğerine ise hidrojen bağıyla daha gevşek bağlanmaktansa, iki flor arasında eşit paylaşıldığını gösteriyor. Çalışmanın yazarlarından biri ve aynı zamanda University of Chicago’da çalışan bir kimyager olan Bogdan Dereka şöyle diyor:

Bu düzende kovalent bağ ve hidrojen bağı arasındaki fark yok olmuş ve artık anlamsızdır.

Bilgisayar hesaplamaları bu davranışın iki flor atomu arasındaki uzaklığa bağlı olduğunu gösteriyor. Flor atomları hidrojen atomunu aralarında sıkıştırarak birbirine yaklaştıkça normal hidrojen bağı da daha güçlü oluyor - ta ki üç atom da kovalent bağ oluşturacak şekilde elektron paylaşır hale gelene kadar. Bu bağın olduğu tek zincire bilim insanları hidrojen-aracılı kimyasal bağ diyor. Flor atomları uzak olduğu sürece ayrı kovalent ve hidrojen bağları içeren geleneksel tanımlama geçerli. Mainz, Almanya’daki Max Planck Institute for Polymer Research’ten kimyager Mischa Bonn, şöyle söylüyor:

Hidrojen-aracılı kimyasal bağ, sadece kovalent bağ veya sadece hidrojen bağı olarak tanımlanamaz. Gerçekten iki bağın melezi!

Kendisi aynı zamanda bu araştırmada farklı bir bakış açısıyla yazarlık yapmış ve Science dergisinde yayınlamıştır.^[2]

Hidrojen bağları en ağırlıklı suda olmak üzere, çok çeşitli maddelerde gerçekleşebilir. Hidrojen bağları olmadan, oda sıcaklığında su; sıvı değil, gaz formda olurdu. Sudaki çoğu hidrojen bağının zayıf olmasına rağmen, fazla hidrojen atomları arasında hidrojen diflorür iyonlarındakine benzer güçlü hidrojen bağları da oluşabilir. İki su molekülü bir hidrojen iyonunu sıkıştırarak Zundel iyonu denen bir iyon tipi oluşturur. Bu iyon tipi, hidrojen iyonu iki su molekülü arasında eşit paylaşıldığında oluşur. Berlin’deki Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy’de çalışan, aynı zamanda da Science dergisinde Zundel iyonu hakkında 2017’de bir makaleye yazarlık yapmış olan kimyager Erik Nibbering, şöyle diyor:^[3]

Yeni sonuçlar da Zundel iyonunun davranışını tekrarlıyor. Hepsi birbirine uyuyor.

Güçlü hidrojen bağlarının hücrelere güç sağlama ve yakıt hücresi teknolojileri gibi birçok biyolojik mekanizma için hayati öneme sahip hidrojen iyonlarını taşımada önemli bir rol oynadığı düşünülüyor. O yüzden bu tarz bağların yaratabileceği çeşitli etkileri aydınlatmada yarar var.

Ayrıca bu yeni gözlemlerin bilim insanlarının kimyanın basit prensiplerini nasıl anladığına dair çıkarımları var. Bonn, şöyle izah ediyor:

Kimyasal bağların ne olduğuna dair temel anlayışlarımıza değiniyor.

Bu yeni bulunmuş kimyasal bağ tanımı aynı zamanda neyin molekül olduğuna dair de sorular oluşturuyor. Kovalent bağla birbirine bağlanmış atomlar aynı molekülün parçaları kabul edilirdi, oysa ki hidrojen bağı sadece farklı moleküller arasında oluşabilir deniliyordu. Yani bu ikisinin ortasında dengedeki bağlar "Bir molekülden iki moleküle ne zaman geçiş yapıyoruz?" sorusunu ortaya çıkarıyor.