Karbon ve Organik Bileşikler

19. yüzyılın başlarına kadar canlılardan elde edilen maddelerin (şeker, üre, yağlar) ancak canlıların taşıdığı bir 'yaşam gücü' ile üretilebileceği düşünülüyordu. Bu maddelere organik adı bu yüzden verildi. 1828'de Friedrich Wöhler, cansız kaynaklı amonyum siyanattan laboratuvarda üre elde etti. Üre, canlıların ürettiği bir maddeydi; bu deney yaşam gücü görüşünün sarsılmasında önemli bir adım oldu.

Günümüzde organik bileşikler, karbonun çoğunlukla hidrojenle birlikte; oksijen, azot, kükürt, fosfor ve halojenlerle oluşturduğu bileşikler olarak tanımlanır. Karbon içerdiği hâlde CO, CO₂, karbonatlar (CaCO₃), hidrojen karbonatlar, siyanürler ve karbürler anorganik sayılır. Bugün bilinen milyonlarca organik bileşiğin çoğu laboratuvarda sentezlenmiştir; tarihsel 'yalnız canlı üretir' görüşü modern tanım değildir.

Bilinen kimyasal bileşiklerin büyük çoğunluğu karbon içerir. Bunun nedeni karbonun bağ yapma özellikleridir:

• Dört bağ yapabilir: ₆C: 1s² 2s² 2p² dizilimiyle dört değerlik elektronu taşır; elektron alıp vermek yerine dört kovalent bağ kurarak oktete ulaşır.

• Kendisiyle sağlam bağlar kurar: C–C bağları kararlıdır; karbon atomları birbirine bağlanarak çok uzun zincirler, dallanmış yapılar ve halkalar oluşturabilir.

• Çoklu bağ yapabilir: Karbonlar arasında tek, çift ve üçlü bağ bulunabilir (C–C, C=C, C≡C).

• Farklı atomlarla bağ yapar: H, O, N, S ve halojenlerle kararlı bağlar kurar; bu atomlar farklı fonksiyonel grupları oluşturur.

• İzomerlik: Aynı atomlar farklı biçimlerde bağlanabildiği için aynı molekül formülüne sahip çok sayıda farklı bileşik bulunabilir.

Bu özellikler sayesinde karbon; proteinler, DNA, karbonhidratlar gibi canlıların yapı taşlarından plastiklere ve ilaçlara kadar çok çeşitli maddelerin temelini oluşturur.

Allotropların özellikleri yapılarından çıkarılabilir:

• Elmasta her karbon dört karbona tek bağlarla bağlıdır (sp³); bütün kristal tek dev bir molekül gibidir. Bağları kırmak çok zor olduğu için bilinen en sert doğal maddedir. Serbest elektron olmadığı için elektriği iletmez.

• Grafitte her karbon aynı düzlemde üç karbona bağlıdır (sp²); altıgen halkalardan oluşan tabakalar birbirine zayıf kuvvetlerle tutunur. Tabakalar kolayca kayar; bu yüzden grafit yumuşak ve kaygandır. Her karbondaki bağ yapmamış bir elektron tabaka boyunca hareket edebildiği için elektriği iletir.

Fulleren, nanotüp ve grafen 20. yüzyılın sonlarında keşfedilip incelenmiş, nanoteknolojinin temel malzemeleri arasına girmiştir.

Basit (kaba) formül, bileşikteki atomların en küçük tam sayılı oranını; molekül formülü ise bir moleküldeki gerçek atom sayılarını gösterir. Glikozun basit formülü CH₂O, molekül formülü C₆H₁₂O₆'dır.

Örnek: Kütlece %40 C, %6,67 H ve %53,33 O içeren bileşiğin 100 gramını düşünelim. Mol oranları 40/12 ≈ 3,33; 6,67/1 = 6,67; 53,33/16 ≈ 3,33 olur. En küçüğe bölünce 1:2:1, basit formül CH₂O bulunur. Basit formül kütlesi 30 g/mol; gerçek mol kütlesi 180 g/mol verilirse katsayı 180/30 = 6 ve molekül formülü C₆H₁₂O₆ olur.

Basit formül tek başına gerçek moleküldeki atom sayılarını vermez: Asetik asit (C₂H₄O₂), formaldehit (CH₂O) ve glikoz aynı basit formüle sahiptir. Molekül formülünü bulmak için mol kütlesi de gerekir. Mol kütlesi, gaz hâlindeki maddenin belirli koşullardaki yoğunluğundan veya hacminden de hesaplanabilir.

Organik bileşiklerin formülü çoğunlukla yakma analiziyle bulunur. Bileşik oksijen fazlasında tamamen yakılır; bütün karbon CO₂'ye, bütün hidrojen H₂O'ya dönüşür ve bunların kütleleri ölçülür.

Örnek: C, H ve O içeren bir bileşiğin 4,6 gramı yakıldığında 8,8 g CO₂ ve 5,4 g H₂O oluşuyor.

• C: 8,8/44 = 0,2 mol CO₂ → 0,2 mol C → 2,4 g

• H: 5,4/18 = 0,3 mol H₂O → 0,6 mol H → 0,6 g

• O: 4,6 − (2,4 + 0,6) = 1,6 g → 0,1 mol

• Mol oranı C : H : O = 0,2 : 0,6 : 0,1 = 2 : 6 : 1 → basit formül C₂H₆O.

• Bileşiğin mol kütlesi 46 g/mol ise basit formül kütlesi de 46 olduğundan molekül formülü C₂H₆O'dur.

Dikkat: Oksijenin kütlesi doğrudan ölçülmez; çünkü ürünlerdeki oksijenin bir kısmı yakma için kullanılan O₂'den gelir. Bu yüzden oksijen, bileşiğin toplam kütlesinden C ve H kütleleri çıkarılarak bulunur. C₂H₆O formülü hem etanolü hem dimetil eteri gösterebilir; yapıyı belirlemek için ek bilgi gerekir.

Lewis formülü, kovalent bağlı bir türde değerlik elektronlarının bağ çiftleri ve ortaklanmamış (yalnız) çiftler olarak nasıl dağıldığını gösterir. Program oktetin aşıldığı molekülleri kapsam dışında tutar.

Adımlar:

1. Bütün atomların değerlik elektronlarını topla; iyonlarda yükü ekle veya çıkar.

2. İskeleti kur: Genellikle en az elektronegatif atom (H hariç) merkeze yazılır; H her zaman uçtadır ve tek bağ yapar.

3. Her bağ için iki elektron yerleştir; kalan elektronları önce dış atomların oktetini tamamlayacak biçimde dağıt.

4. Merkez atomun okteti tamamlanmamışsa yalnız çiftleri çift veya üçlü bağa dönüştür.

Örnekler:

• H₂O: 8 elektron; O merkezde iki H'ye bağlı, oksijen üzerinde iki yalnız çift.

• NH₃: 8 elektron; N üç H'ye bağlı, bir yalnız çift.

• CO₂: 16 elektron; O=C=O, her oksijende iki yalnız çift.

• HCN: 10 elektron; H–C≡N, azot üzerinde bir yalnız çift.

• N₂: 10 elektron; N≡N, her azotta bir yalnız çift.

• NH₄⁺: 8 elektron (5 + 4 − 1); dört N–H bağı, yalnız çift yok.

Karbonun temel hâl dizilimi (2s² 2p²) yalnız iki eşleşmemiş elektron gösterir; oysa karbon dört bağ yapar ve metanda dört bağın hepsi eştir. Bu durum hibritleşme ile açıklanır: Bağ oluşurken atomun değerlik orbitalleri karışarak eş enerjili ve eş biçimli yeni hibrit orbitaller oluşturur.

• sp³ hibritleşmesi: Bir s ve üç p orbitali karışır, dört sp³ orbitali oluşur. Orbitaller düzgün dörtyüzlünün köşelerine yönelir; açı 109,5°'dir. Örnek: CH₄, C₂H₆ ve dört tek bağ yapan bütün karbonlar.

• sp² hibritleşmesi: Bir s ve iki p orbitali karışır, üç sp² orbitali aynı düzlemde 120° açıyla yerleşir. Hibritleşmeye katılmayan bir p orbitali kalır ve π bağına katılır. Örnek: C₂H₄'teki karbonlar, BH₃'teki bor.

• sp hibritleşmesi: Bir s ve bir p orbitali karışır, iki sp orbitali 180° açıyla doğrusal yerleşir. Kalan iki p orbitali iki π bağına katılır. Örnek: C₂H₂'deki karbonlar, BeH₂'deki berilyum.

Kısa yol: Merkez atomun çevresindeki elektron bölgesi sayısı 4 ise sp³, 3 ise sp², 2 ise sp hibritleşmesi vardır.

Kovalent bağlar orbitallerin örtüşme biçimine göre iki türdür:

• Sigma (σ) bağı: Orbitallerin iki çekirdeği birleştiren eksen üzerinde uç uca örtüşmesiyle oluşur. Elektron yoğunluğu çekirdekler arasında yoğunlaşır; güçlü bir bağdır. İki atom arasındaki ilk bağ her zaman σ bağıdır. σ bağı etrafında atomlar dönebilir.

• Pi (π) bağı: Hibritleşmeye katılmamış, birbirine paralel p orbitallerinin yan yana örtüşmesiyle oluşur. Elektron yoğunluğu eksenin altında ve üstündedir; σ bağından zayıftır. π bağı, bağlı atomların eksen etrafında dönmesini engeller; cis–trans izomerliğinin nedeni budur.

Bağ sayımı: Tek bağ = 1σ; çift bağ = 1σ + 1π; üçlü bağ = 1σ + 2π.

• C₂H₆ (etan): 7σ, 0π

• C₂H₄ (eten): 4 C–H σ + 1 C–C σ = 5σ; 1π

• C₂H₂ (etin): 2 C–H σ + 1 C–C σ = 3σ; 2π

• HCN: H–C σ + C≡N'de 1σ + 2π → 2σ, 2π

Bağ sayısı arttıkça iki karbon arasındaki uzaklık kısalır ve bağ enerjisi artar: C–C > C=C > C≡C (uzunluk sırası).

Program VSEPR ve hibritleşme ile molekül geometrisini 2. periyot elementlerinin hidrojenle yaptığı bileşiklerle sınırlar. Aşağıdaki tablo bu bileşikleri özetler.

Polarlık: Molekülde polar bağlar bulunsa bile bağ polarlıkları simetrik geometride birbirini götürüyorsa molekül apolardır (BeH₂, BH₃, CH₄). Yalnız çiftler simetriyi bozduğunda molekül polar olur (NH₃, H₂O); HF ise tek polar bağlı doğrusal bir moleküldür.

Karbonun dört tek bağ yaptığı doymuş çevrede sp³, çift bağ içeren üç bölgeli çevrede sp², üçlü bağ içeren iki bölgeli çevrede sp modeli kullanılır. Eten düzlemsel, etin doğrusal karbon çevreleriyle karşılaştırılabilir.

Bir moleküldeki karbonların hibritleşmesini belirleme örneği: CH₂=CH–C≡CH molekülünde soldan sağa birinci ve ikinci karbonlar çift bağ yaptığı için sp², üçüncü ve dördüncü karbonlar üçlü bağ yaptığı için sp hibritleşmesine sahiptir. Molekülde 7σ ve 3π bağı vardır.

Hibritleşme ve geometri ilişkisi:

• sp³ karbonun çevresi dörtyüzlüdür; bu yüzden alkan zincirleri düz çizgi değil, zikzaktır.

• sp² karbonun çevresi düzlemseldir; etendeki altı atomun hepsi aynı düzlemdedir.

• sp karbonun çevresi doğrusaldır; etindeki dört atom aynı doğru üzerindedir.

Karbon içeren her madde organik sayılmaz: CO₂ ve karbonatlar anorganiktir; ancak CO₂'deki karbonun da sp hibritleşmesi gösterdiği ve doğrusal olduğu söylenebilir.