Bir öğrenci aşağıdaki moleküllerin kaynama noktalarını karşılaştırmaktadır:
I. H₂O (su)
II. H₂S (hidrojen sülfür)
III. NH₃ (amonyak)
Hidrojen bağlarının varlığı dikkate alındığında, bu moleküllerin kaynama noktalarının büyükten küçüğe doğru sıralanışı nasıl olur?
A) I > II > III
B) I > III > II
C) II > I > III
D) III > I > II
Merhaba sevgili öğrenciler!
Bu soruda moleküllerin kaynama noktalarını karşılaştırmak için moleküller arası kuvvetleri, özellikle de hidrojen bağlarını anlamamız gerekiyor. Kaynama noktası, bir sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıktır. Moleküller arası çekim kuvvetleri ne kadar güçlüyse, molekülleri birbirinden ayırmak için o kadar fazla enerji gerekir ve dolayısıyla kaynama noktası o kadar yüksek olur.
- Adım 1: Moleküller arası kuvvetleri belirleyelim.
- H₂O (Su): Oksijen (O) yüksek elektronegatifliğe sahip bir atomdur ve hidrojen (H) ile bağ yapmıştır. Oksijen atomu üzerinde ortaklanmamış elektron çiftleri de bulunur. Bu özellikler, su moleküllerinin kendi aralarında güçlü hidrojen bağları oluşturmasını sağlar. Ayrıca dipol-dipol ve London dağılım kuvvetleri de mevcuttur.
- H₂S (Hidrojen Sülfür): Kükürt (S) atomu, oksijen atomuna göre daha az elektronegatiftir ve hidrojen bağları oluşturmak için yeterince elektronegatif değildir (hidrojen bağları sadece F, O, N atomları ile H arasında oluşur). Bu nedenle H₂S molekülleri arasında hidrojen bağı oluşmaz. Temel moleküller arası kuvvetler dipol-dipol etkileşimleri ve London dağılım kuvvetleridir.
- NH₃ (Amonyak): Azot (N) yüksek elektronegatifliğe sahip bir atomdur ve hidrojen (H) ile bağ yapmıştır. Azot atomu üzerinde ortaklanmamış elektron çifti bulunur. Bu özellikler, amonyak moleküllerinin kendi aralarında hidrojen bağları oluşturmasını sağlar. Ayrıca dipol-dipol ve London dağılım kuvvetleri de mevcuttur.
- Adım 2: Hidrojen bağlarının gücünü karşılaştıralım.
- Hidrojen bağları, diğer moleküller arası kuvvetlerden (dipol-dipol ve London kuvvetleri) çok daha güçlüdür. Bu nedenle, hidrojen bağı içeren moleküllerin kaynama noktaları, benzer büyüklükteki hidrojen bağı içermeyen moleküllerden genellikle daha yüksektir.
- H₂O ve NH₃ molekülleri hidrojen bağı oluştururken, H₂S oluşturmaz. Bu durumda H₂S'nin kaynama noktasının en düşük olmasını bekleriz.
- Şimdi H₂O ve NH₃ arasındaki hidrojen bağlarının gücünü karşılaştıralım:
- Hidrojen bağının gücü, H atomunun bağlı olduğu elektronegatif atomun elektronegatifliği ile doğru orantılıdır. Oksijenin elektronegatifliği (yaklaşık $3.44$) azotun elektronegatifliğinden (yaklaşık $3.04$) daha yüksektir. Bu, O-H bağının N-H bağından daha polar olduğu anlamına gelir, dolayısıyla H₂O'daki hidrojen bağları NH₃'teki hidrojen bağlarından daha güçlüdür.
- Ayrıca, bir su molekülü (iki H atomu ve iki ortaklanmamış elektron çifti ile) ortalama olarak daha fazla hidrojen bağı oluşturabilir (maksimum 4) ve daha kapsamlı bir hidrojen bağı ağı kurabilirken, bir amonyak molekülü (üç H atomu ve bir ortaklanmamış elektron çifti ile) ortalama olarak daha az hidrojen bağı oluşturur (maksimum 3, ancak genellikle ortaklanmamış elektron çifti sayısı sınırlayıcıdır). Bu da suyun kaynama noktasının amonyaktan daha yüksek olmasının bir nedenidir.
- Adım 3: Kaynama noktalarını sıralayalım.
- En güçlü moleküller arası kuvvetlere sahip olan H₂O, en yüksek kaynama noktasına sahip olacaktır.
- NH₃, H₂O'dan daha zayıf hidrojen bağlarına sahip olduğu için, kaynama noktası H₂O'dan düşük ama H₂S'den yüksek olacaktır.
- H₂S, hidrojen bağı oluşturmadığı için, en düşük kaynama noktasına sahip olacaktır. (H₂S'nin molar kütlesi ($34 \text{ g/mol}$) NH₃'ten ($17 \text{ g/mol}$) daha yüksek olmasına rağmen, hidrojen bağlarının yokluğu kaynama noktasını düşürür.)
- Buna göre sıralama şu şekildedir: H₂O > NH₃ > H₂S.
- Adım 4: Seçeneklerle karşılaştıralım.
- I. H₂O
- II. H₂S
- III. NH₃
- Sıralamamız I > III > II şeklindedir.
Cevap B seçeneğidir.
