Moleküllerarası Kuvvetler, Sıvılar ve Katılar

Kimyasal bağlar moleküllerde atomlar› bir arada tutan kuvvettir. Kimyasal bağlanma 
sonucunda oluşan moleküller kendi aralarında veya başka moleküllerle çeşitli şekillerde etkileşirler. Molekülleri bir arada tutan ve moleküllerin oluşturduğu maddenin birçok özelli¤inden sorumlu olan bu etkileşimlere (kuvvetlere) moleküller arası kuvvetler denir. Moleküller arası kuvvetler, van der Waals kuvvetleri olarak da bilinmektedir. Moleküller arası kuvvetler kimyasal bağların kuvvetine göre oldukça zayıftır.

Moleküller arasında 3 çeşit moleküller arası kuvvet bulunabilmektedir.   Bunlar:

• Dipol-dipol kuvvetleri,
• London (dispersiyon) kuvvetleri,
• Hidrojen bağı.

Kimyasal bağ ile bağlanmış iki atomun elektronegatiflikleri farklı ise elektronegatifliği daha yüksek olan atomun bağ elektronlarını daha çok çekmektedir. Eğer molekül, iki atomlu bir molekül ise bağ polarlığı aynı zamanda molekülün polarlığı olur. Çok atomlu moleküllerin polarlığıda bağ polarlıklarının ve geometrilerinin bir sonucu olarak orta- ya çıkar. Polar moleküllerde elektron yoğunluğunun molekülün bir tarafında yük- sek diğer tarafında düşük olması nedeniyle molekül bir dipole (iki kutba) sahiptir. Bu nedenle polar bir molekülün pozitif ucu (tarafı) diğer bir polar molekülün negatif ucuna (tarafına) yakın olduğu zaman bu iki molekül birbirini çeker. ‹ki polar molekül arasındaki bu elektrostatik çekimin sonucunda oluşan kuvvete dipol-dipol kuvveti denir.

London (dispersiyon) kuvvetleri polar, apolar bütün moleküller arasında görülen bir moleküller arası etkileşim kuvvetidir. Moleküllerde ve atomlarda elektronların hareketliliği sonucu anlık olarak elektronların molekülün veya atomun bir tarafın- da yoğunlaşma (toplanma) ihtimali vardır. Bu anlık durumda, molekülün veya atomun bir tarafı kısmi negatif (d-), diğer tarafı ise kısmi pozitif (d+) yükle yüklenir ve molekülde anlık dipol oluşur. Bu anlık dipol, kısmi pozitif ve kıs- mi negatif yükünün konumuna göre, yakınındaki moleküllerin veya atomların elektronlarını çekerek veya iterek (indükleyerek) onların üzerinde de indüklenmiş dipol oluşmasına yol açar. Bu şekilde oluşan anlık dipol-indüklenmiş dipol etkileşimine London kuvveti veya London dispersiyon kuvveti denir. London dispersiyon kuvvetleri moleküller veya atomlar birbirlerine yakın olduğu zaman oluşurlar.

Ayn› tür ve say›da atomlar içeren ancak atom düzenlemeleri farklı olan maddelere izomer denir.

Elektronegatifliklerinin yüksek olduğunu ve moleküler bileşiklerinde ortaklanmamış elektron çifti içerdiklerini bildiğimiz azot (N), oksijen (O) ve şor (F) atomlarının hidrojen atomuyla yaptığı bağlar polar kovalent bağlardır. Bu tür moleküller- de N, O veya F a bağlı hidrojen atomu kısmi pozitif yüklüdür ve komşu molekül- de bulunan N, O veya F atomunun ortaklanmamış elektron çifti ile etkileşime girer. Bu moleküller arası etkileşim türüne hidrojen bağı denir.

Sıvı; moleküler, iyonik veya atomik yapıdaki partiküllerden oluşabilir. Sıvıda bu partiküllerin düzenlenmesi ne gazlardaki gibi içinde bulundukları kabı kaplaya- cak (kabın şeklini alacak) kadar düzensiz, ne de katılardaki gibi düzenlidir. Ancak partiküller sıvı fazda kolaylıkla hareket edebildikleri için sıvılar bulundukları kabın kapladıkları kısmının şeklini alırlar. Sıvıların özellikleri moleküller arası çekim kuvvetleriyle ilgilidir. Bir gaz yeteri kadar soğutulursa moleküller arası çekim kuvvetlerinin etkisiyle yoğunlaşarak sıvı hale geçer. Sıvı halde gaz haline göre birbirine daha da yaklaşan moleküllerin, gaz halindeki moleküllerden da- ha büyük moleküller arası etkileşim kuvvetlerine sahiplerdir.

Bir sıvının akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir ve sıvıdaki bir molekülün diğer moleküllere göre hareket edebilmesiyle ilgili bir olaydır. Viskozitesi büyük olan sıvı daha yavaş akar. Sıvıların diğer özelliklerinin çoğu gibi viskozite de molekülün büyüklüğüne, şekline ve kimyasal yapısına bağlıdır. Genellikle moleküller arası kuvvetleri büyük olan sıvıların viskozitesi yüksektir. Örneğin 20 °C deki suyun viskozitesi 1,01x10-3 kg/m s, benzenin (C6H6) viskozitesi ise 6,47x10-4 kg/m s’dir. Polar su molekülleri arasında hidrojen bağı, dipol- dipol ve London kuvvetleri olmasına karşın apolar C6H6 molekülleri arasında sadece London kuvvetleri vardır.  Bu nedenle daha büyük moleküller arası etkileşim  kuvvetine  sahip  suyun  viskozitesi  daha büyüktür.

Sıvının iç kısmındaki moleküller, etrafındaki moleküller tarafından her yönde eşit derecede çekilirler. Buna karşılık sıvı yüzeyindeki moleküller ise sıvının iç kısmındaki moleküller ta- rafından sıvının içine doğru çekilirler. Sıvı yüzeyinin temasta olduğu diğer faz gaz (buhar) fazıdır ve bu fazda moleküllerin yoğunluğu düşük olduğundan sıvı yüzeyinde- ki bir molekülü çekme kuvvetleri iç kısımdaki moleküllerin çekme kuvvetlerine göre oldukça küçüktür. Dolayısıyla sıvının yüzeyindeki molekülleri sıvının içerisine doğru çeken net bir kuvvet vardır. Sıvının yüzey gerilimi bu çekim nedeniyledir ve bu yüzey gerilimi sıvıları minimum yüzeye sahip olacak bi- çimde şekil almaya zorlar. Yüzey-hacim oranı en küçük geometrik cisim küre olduğundan yağmur damlaları, sabun köpüğü küresel şekilde olurlar (gerçekte bu cisimlerde küresellik yer çekimi etkisiyle bir miktar bozulur).

Benzer moleküller arasında olan ve bu molekülleri bir arada tutan etkileşim kuvvetlerine kohezyon kuvvetleri denir.

Bir madde ile bir yüzeyi (başka madde) arasında olan etkileşim kuvvetlerine ise adezyon kuvvetleri denir.

Cam bir boru içerisine sıvı su koyduğumuzda, su yüzeyinde menisküs adı verilen iç bükey bir kavis oluşur. Benzer biçimde bir cam boru içerisine adezyon kuvvetleri kohezyon kuvvetlerinden küçük olan bir sıvı (örneğin civa) konulduğunda dış bükey kavis oluşur.

Yüzey geriliminin neden olduğu bir başka olgu kapiler etkidir. Adezyon kuvvet- lerinin kohezyon kuvvetlerinden büyük olduğu durumda çok dar çaplı (kılcal) borular bir sıvıya daldırıldığında sıvı bu borular içinde yukarıya doğru yükselir. Buna kapiler etki denir. Kapiler etkide boru içinde yükselen sıvının yüksekliği aşağıda gösterildiği gibi borunun çapına bağlıdır. Kapiler etkiye verilebilecek en iyi örneklerden bir tanesi suyun ve çözünmüş besinlerin bitkilerde kökten gövdeye ve dallara iletilmesi olayıdır.

Maddeler olağan koşullarda katı, sıvı ya da gaz halde bulunurlar. Maddelerin bu fiziksel hallerden birinden diğerine dönüşümüne faz değişimi veya faz geçişi denir. Faz, şiddet özellikleri her noktasında aynı olan maddedir.

Faz değişimleri sistemin enerjisindeki değişim sonucu gerçekleşir. Bir katının erimesi veya bir sıvının buharlaşması enerji gerektirir. Katı fazdaki bir maddenin ısı alarak sıvı faza geçmesine erime denir.

Bir mol katı maddenin erimesi için gerekli olan ısıya molar erime ısısı veya molar erime entalpisi denir. Su için molar erime entalpisi 6,01 kJ/mol dür.

Erimenin tersi durum donmadır. Yani sıvı molekülleri birbiri üzerinden geçemeyecek kadar düşük enerjiye sahip oldukları zaman birbirlerine göre hareketsiz kalırlar ve katı fiziksel hal oluşur. Sıvının donduğu sıcaklığa  donma  noktası  denir.

Sıvı fazdaki bir madde yeteri miktarda enerji aldığında gaz (buhar) faza geçer, bu olaya ise buharlaşma adı verilir. Bir mol sıvının buharlaşması için gereken ısı- ya  molar buharlaşma ısısı  veya  molar buharlaşma entalpisi  denir.

Buhar basıncı yüksek olan katıların sıvı faza geçmeden katı fazdan doğrudan gaz fazına geçmesi olayına süblimleşme denir.

Buhar basıncının büyüklüğü moleküller arası kuvvetlere bağlıdır. Güçlü moleküller arası kuvvetlere sahip bir maddenin buhar basıncı yaklaşık aynı mol kütleli ve nispeten daha zayıf moleküller arası kuvvete sahip olan başka bir maddenin bu- har basıncından daha düşüktür. Buhar basıncı yüksek olan sıvıların buharlaşması kolay olup bu tür maddelere uçucu madde denir.