Moleküller Nasıl Görünür ve Neye Benzer?

Moleküller, belirli bir düzende birbirine bağlanmış atomlardan oluşur. Bir moleküldeki atomların düzeni onun şeklini belirler, bu da kimyasal özelliklerini ve diğer moleküllerle etkileşimlerini etkiler.
molekul atom

Bir molekül, birbirine bağlı bir atom grubudur. Moleküller, etrafınızda gördüğünüz neredeyse her şeyi bir araya getirir. Cildiniz, oturduğunuz koltuk ve hatta yediğiniz her şey moleküllerin oluşturduğu şeylerdir. Moleküllerin boyutları değişken olsa da son derece küçüktürler. Tek bir molekülü bakarak veya mikroskop kullanarak göremezsiniz. Bir saç telinin genişliğinden 100.000 kat daha ufaktırlar.

En küçük molekül birbirine kenetlenmiş iki atomla oluşabilirken, daha büyük bir molekül 100.000 veya daha fazla atomun birleşimiyle oluşabilir. Molekül, içimize çektiğimiz oksijen molekülleri gibi aynı atomların yinemeleri olabilir ya da karbon, oksijen ve hidrojenden meydana gelmiş bir şeker molekülü gibi birden fazla atomdan oluşabilir.

Peki, moleküller neye benzer ve nasıl görünür? Burada bütün hikaye moleküllerin yapı taşlarıyla başlıyor: Atomlar.

Karşıtların Çekimi

Atomu oluşturan madde parçacıklarının hepsi birbirine benzemez. Pozitif veya negatif yükleri olabilir ya da hiç yükleri olmayabilir. Bilim insanları bu tür atomları proton, elektron ve nötron olarak tanımlıyor.

altın atomu
Altın atomunun 79 proton ve 118 nötrondan oluşan yoğun bir merkezi ve etrafına yayılmış şekilde 79 elektronlu bir bulutu vardır

Yüksüz nötronlar ve pozitif yüklü protonlar atomun ağırlık merkezini meydana getirir. Negatif yüklü elektronlar bu küçük merkezin çevresini sarar.

Atomlar kendilerinden beklendiği gibi birleşip molekül yaratmak için birbirlerine yaklaştıkça, bir atomdaki negatif elektronlar diğer atomdaki pozitif protonlara çekilir ya da tam tersi olarak da tanımlanabilir. Her iki atom da buna göre kendilerini hazırlarlar.

single atom
Bir atom yalnız kaldığında, merkezini saran negatif elektronlar simetrik durumdadır. İki atom yakınlaştıkça, bir atomun negatif elektronları diğer atomun pozitif merkezine doğru ilerler

Bunu okuldaki sınıfınızda bir sandalye seçmeye çalışmakla örneklendirebiliriz. Orada da bazı kurallar vardır. İlk olarak sınıfa yerleşmeniz gerekiyor ve gidip bir başkasının üstüne oturamazsınız. Bu kuralları izleyerek, arkadaşınızın yanında ve hoşlanmadığınız kişilerden uzakta oturmayı deneyebilirsiniz. Sınıftaki herkesin iyi hissetmesi için en doğru konumu bulmak, bir moleküldeki atomlar için de geçerlidir. Onlar da en doğru konumu bulmaya çalışırlar. Kimi zaman atomlar iyi hissedecekleri bir diziliş formasyonu bulamaz ve molekül oluşturmazlar.

Görünmeyeni Görmek

Peki, moleküller insan gözleriyle veya üstün bir mikroskopla tespit edilemeyecek kadar küçükse, bilim insanları molekülleri nasıl inceliyor? Elbette bunun yanıtı bu işlemler için özel donanımlar geliştirmiş olmalarında yatıyor.

Aletlerden birisi uzun yıllardır vücut kemiklerini incelemek için kullanılan X Işını (X-ray)'ndan yararlanıyor. X Işını insan gözünün tespit edemediği ultraviyole ya da kızılötesi ışıktan oluşan bir ışık türüdür.

Bu moleküllerin üstüne X ışını tutulduğunda bazı moleküller sıçramaya başlar. Tam bu noktada bilim insanları, geri dönen X Işınlarını kaydetmeye başlar. Böylece tek tek moleküllerin nasıl göründüğünü anlamak için modellemeler yaparlar.

protein molekülü
Bir protein molekülündeki atomlardan geri dönen X ışınları, bu fotoğraftaki siyah noktaları oluşturur. Bu noktaların lokasyonu, atomların molekülün içinde nasıl bir düzen uyguladığıyla ilgili bilgi verir

1912'de yılında böyle görülmüş ilk moleküllerden biri, patates kızartmasında kullanmaya bayıldığımız, çok sevdiğimiz bileşen tuz (NaCl) idi.

Fakat bilim insanları, molekülleri incelemek için başka yöntemler de buldular. İki atom birbirine yaklaştıkça elektronların hareketlerini değiştirmesine yakın şekilde, atomun merkezi de kendi hareketini değiştirebilir. Nükleer manyetik rezonans olarak isimlendiren bir yöntem, atomun merkezindeki bu hareket değişikliğini tespit eder ve hangi atomların daha yakınında olduğunu belirlemek için, bunları kendisine referans alır.

Bir atomik kuvvet mikroskobu, üzerine bastığınızda ağırlığınıza direnç gösteremeyen dayanıksız bir suya atlama tahtası gibidir. Fakat bu atlama tahtası o kadar ufaktır ki, uç noktadaki bir negatif yük kendisini bir atomun pozitif merkezine doğru bükmeye başlar. Bu atlama tahtasını hareket ettirerek nasıl büküldüğünü takip edebilirsiniz. Bu da bize bir moleküldeki atomların nerede konumlandığını gösterir.

Bilim insanlarının molekülleri incelemek için geliştirdikleri bir teknik daha var. Bu yöntemde cyro-elektron mikroskobu kullanılıyor. Bilim insanları öncelikle, molekülleri kar veya buzdan çok daha soğuk bir ısıya gelecek şekilde dondururlar. Ardından molekülün üstüne elektronları getirirler ve bir görüntü elde etmek için molekülün içinden geçip gidenleri kaydederler. Bu teknik, 2017 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı.

Tüm Şekiller ve Boyutlar

Peki, moleküller neye benziyor? Moleküller, merkezdeki materyalin büyük bölümünü içeren, geri kalan alanları ise büyük ölçüde boş alan olan bir atom grubudur. Her atomun kendini "iyi hissettiği" net bir konumu vardır. Aynı okul sınıfında sevdiği sandalyelere oturabilmiş öğrenciler gibi.

Soldaki benzen ve sağdaki fulleren moleküllerini oluşturan atomların diyagramları. Jynto (solda) Benjah-bmm27 (sağda)

Her molekül farklıdır. Bazıları ise gerçekten çok farklıdır. Örneğin benzen bir pankek gibi düzdür, fulleren ise futbol topu gibi yuvarlaktır. Penguinone ise gerçekten bir penguen gibi görünürken, diğer moleküller kesinlikle rastgele bir görüntü kazanır. Fakat bu rastgeleliği bir moleküldeki atomların konumları ile karıştırmamak gerekiyor. Çünkü bir atomun konumu hiçbir şekilde rastgele oluşmaz.

Bilim isanları birçok molekülün tam olarak neye benzediğinden emin olsa da, hala idrak edilmeye çalışılan bazı moleküller var. Bu soruların yanıtlarını bulmak, yeni materyallerin ve özellikle ilaçların keşfedilmesine yol açabilir.