Madde Nedir?

 

Madde Nedir?

Duyu organlarımız ile algılayabildiğimiz gerçek nesneler baryonik madde olarak tanımlanır. Bu isim, proton ve nötronları meydana getiren ve baryonlar genel tanımlaması altında yer alan kuarklardan gelmektedir. Evrenin çok büyük kısmını (%95) oluşturan madde ve enerji türleri ile ilgili ise (karanlık madde-karanlık enerji) algılayabileceğimiz nitelikte olmadıkları için hemen hiçbir bilgiye sahip değiliz.

Madde, atom altı parçacıkların atom veya element adı verilen yapıları meydana getirmek üzere kararlı birliktelikler teşkil ettiği özgün yapı birimlerini ifade eder. İç yapılarıyla ilgili ilk bilimsel görüşler 1803 – 1808 yılları arasında İngiliz bilim adamı John Dalton tarafından ortaya atılmıştır. Bu tarihten yüzyıl sonra Einstein tarafından “özel görelilik” teorisinin yayınlandı (1905) ve E=mc2 eşitliği gereği madde ve enerjinin birbirine dönüşebileceğini ortaya çıkmış oldu.

Evrenin Bileşimi

Mevcut teorik bilgimiz ile elde ettiğimiz gözlem sonuçlarına göre, evrenin yalnızca %5 kadarı bildiğimiz baryonik maddeden oluşmaktadır. %26'lık kısım karanlık maddeye aitken, %69.1'lik kısım da karanlık enerjiden oluşur.

Olasılık Fiziği

Modern fizik, atom altı seviyelerde kesinlikler yerine olasılıkların iş görmeye başladığını söylemektedir. Üstelik bu durum gözlemlerimizin yetersizliğinden veya bilgilerimizin eksikliğinden değil enerjinin doğasından kaynaklanır. Biz insanlar, enerjinin kendisini değil dolaylı etkilerini gözlemleyebiliriz. Örneğin sıcaklık, ışık, elektrik etkisi vb

Duyularımız

Duyu organlarımız cisimlerin hareket durumunu algılamak üzere özelleşmiştir:

Hareketsiz veya yavaş hareket eden cisimleri (0-20 titreşim/saniye) şekil, titreşen cisimleri (20-20.000 titreşim/saniye) ses olarak algılarız. Eğer atom veya moleküllerin enerji durumu değişecek olursa ilk olarak derimizle sıcaklık (dalga frekansı 25.000-350.000 Hz), daha sonra gözümüzle renk (dalga frekansı 350.000-720.000 Hz) olarak algılarız. Bilebildiğimiz kadarıyla daha üst düzeylerde enerjileri algılayabilecek duyu organları canlılarda bulunmamaktadır.

Canlılık ve Elementler (Atomlar)

Madde sıvı, katı, gaz, plazma vb hangi halde olursa olsun atomlardan oluşur. 93 tanesi doğal, 13 kadarı yapay olmak üzere toplam 106 adet atom bulunmaktadır. Atomların bir kısmı canlı yapılara katılmadıkları ve canlılık süreçlerinde bilinen herhangi bir role sahip olamadıkları için biyolojik açıdan önemsizdir. Diğer yandan atomu oluşturan atom altı parçacıkların; elektron (- yüklü) ve protonlar (+ yüklü) oldukça iyi tanımlanmış biyolojik işlevlere sahip olmaları nedeniyle ayrıca ele alınmalıdır.

İnsan bedeninin yakılması ile ortaya çıkan gaz ve kül analiz edildiğinde, yaklaşık %18 karbon, %10 hidrojen, %65 oksijen, %3 azot (toplam %96). %0,15 sodyum, %2 kalsiyum, %0,15 klor, %1,1 fosfor, %0,25 kükürt, %0,35 potasyum, %0,05 magnezyum tespit edilmiştir. Ayrıca eser halde demir, iyot, kobalt, bakır, mangan, silisyum, çinko gibi elementler de belirlenmiştir.

Canlı bedenlerini oluşturan dört ana elementten üçü olağan koşullar altında gaz halinde, dördüncüsü katıdır. Oksijen, hidrojen ve nitrojen, yıllarca onları sıvılaştırmak için uygulanan tüm yöntemlere meydan okuyan gazlardır. Yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda ve yoğun basınç altında sıvı forma indirgenirler. Karbon elementi ise aşırı yüksek sıcaklıklar dışında katıdır.

Kimyasal olarak ele alındığında, canlı yapıya katılan bu dört ana bileşeninden (oksijen hariç) üçünün sanılanın aksine kimyasal tepkimelere ilgi aralıklarının dar ve ilgi düzeyleri düşüktür. Hidrojen, çok çeşitli başka elementle birleşebilme potansiyeline sahiptir; ancak başka elementlere gösterdiği kimyasal ilgi, organik sıcaklıklarda neredeyse sıfırdır. Karbonun da benzer şekilde sıradan ısılarda tamamen ilgisiz olduğu söylenebilir. Bu türden bir kimyasal kayıtsızlık, en yüksek derecesiyle, organik değişimlerde başrol oynayan bir element olan nitrojen tarafından da gösterilir. Biyolojik açıdan önemli olan bir başka durum ise organik yapılara katılan makro elementlerin allotropik (farklı kristal yapı gösteren formlar) modifikasyonlara sahip olmasıdır. Bu değişimler çoğu zaman radikal sonuçlar doğurur.

Bazı evrimsel eşikler dışarıda tutulacak olursa makro elementlerin sıradan koşullar altındaki kimyasal ilgisizliği ve allotropizma evrimsel ham madenin olağanüstü hareketliliğini bir ölçüde ehlileştiren veya yön veren unsurlar olarak işlev görmektedir.

İyonlar

Atomların en dış değerlik kabuklarındaki (orbit) elektron sayısı 0-8 arasında değişir. En dış kabukta 0 ya da 8 elektron varsa bu element kimyasal olarak aktif değildir. Dış kabuktaki elektron sayısı daima sekize tamamlanmaya veya sıfıra indirgenmeye çalışılmaktadır. Bu gibi süreçlerde elektron kazanımı ile (-), elektron kaybedilmesi sonucu da (+) yük değişimleri ortaya çıkmaktadır. Dış kabuklarında bir, iki veya üç elektron taşıyanlar bu elektronları verme, beş ve üzeri elektron taşıyanlar elektron alma eğilimindedir. 

Elektron yitirenler artı yük kazandıkları için elektroliz ortamında katoda göç ederler (Na+, Ca++, vb) bunlara "Katyon" denir. Elektron kazanımı sonucu anoda göç edenler ise "Anyon" olarak isimlendirilmektedir. İyonlaşma enerjilerinin düzeyi ile de orantılı olmakla birlikte iyonlar, doğada sıklıkla karşılaştığımız yapılardır.

İzotoplar

Bazı elementlerin çekirdeklerinde bulunan nötron sayılarının farklılık gösterebildiği belirlenmiştir (normalden daha fazla sayıda nötron bulunması durumu) . Bu gibi atomlarda nötron sayısı farklı, elektron ve proton sayıları aynıdır. Çekirdeklerinde farklı sayılarda nötron barındıran bu elementler periyodik tabloda aynı yeri işgal ederler (izo: eşit, tope: yer).

Bir elementin izotopları kimyasal olarak farklılık göstermediği halde, fiziksel olarak farklılıklar gösterir. Örneğin bazıları radyoaktif olabilir. Nötron sayısının farklı olması (2H ağır hidrojen veya döteryum) atom ağırlıklarının da farklı olmasına yol açar. 

Atom Numarası ve Atom Ağırlığı

Her belirli elementin tüm atomlarında çekirdekler aynı sayıda proton içerir. Atom numarası, elementin simgesinin sol tarafına yazılır. Aksi bir durum olmadıkça atomlar nötr durumdadır. Bu durumda proton (+) sayısı elektron (-) sayısına eşittir ve atom numarası nötr atomlar için elektron sayısına eşittir. 

Atomların neredeyse bütün kütlesi çekirdeklerinde bulunur. Elektron kütlesi önemsenmeyecek seviyededir. Nötron ve protonların kütlesi eşit ve yaklaşık 1 dalton kadardır. Bu durumda örneğin helyumun atom numarası 2 iken (çekirdeğinde iki proton ve iki nötron bulunur) atom ağırlığı 4 dalton'dur.

Atomik çekirdek

Atom büyüklüğü ile orantılandığında 100,000 kat daha küçük olan çekirdek, toplam hacminin çok küçük bir kısmını işgal eder. Çekirdek, proton (+) ve nötron (yüksüz) olmak üzere iki farklı atomaltı parçacığa ev sahipliği yapmaktadır. Atomların büyük oranda boşluk tarafından doldurulduğu düşünülecek olursa çekirdeğin yapısı ve konumunun belirlenmesinde neden zorluk çekildiği anlaşılacaktır. 

Atomik çekirdek Ernest Rutherford’un 1911 yılındaki çalışmalarıyla ortaya çıkmıştır. Yine Rutherford tarafından 1919 yılında proton, 1932'de Chadwick tarafından nötronun varlığını keşfedildi. Çekirdek oransal olarak küçük olmasına rağmen atom kütlesinin neredeyse tamamından (%99,9) sorumludur.  

Elektronlar

Elektronların keşfi çekirdeğin keşfine oranla nispeten daha erken tarihlidir. Elektron, J.J. Thomson'un 1897'de yaptığı deneylerle ve “katot ışınları” denilen ışınımın aslında negatif yüklü parçacıklardan oluştuğunu göstermesiyle ortaya çıkmıştır. Elektronlar “standart model” içerisinde leptonlar sınıfından temel bir parçacık olarak kabul edilmektedir. 

Şekil. Elektronların farklı atomlarda yörüngelere dağılımları.

Değerlik (=Valans)

Elementler kaotik etkileşimleri engelleyen unsur nedir? Nasıl oluyor da bir tepkime kabında, sayısı bir elin parmaklarını geçmeyen parametreyi bildiğimiz taktirde hangi ürün veya ürünlerin oluşacağını bilebiliyoruz? 

Elementler arasındaki etkileşimlerde düzeni sağlayan güçler iyi belirlenmiş sabit güçlerdir. Her atom belirli bir yarıçap içerisindeki komşularına etki eder. Denilebilir ki yeterince yakınlaşan elementler arasında özel iletişim kanalları kurulmaktadır. Bahsi geçen iletişim iki atom arasında tam bir uyuşma ve bu uyuşma sonucu ortaya çıkan bağlanma (kimyasal bağ) ile de sonuçlanabilir. 

Her atomun belirli bir bağlanma kapasitesi vardır. Atomun diğer atomlar ile bağ kurma kapasitesi nicel olarak ifade edilebiliyor ise değerlik olarak isimlendirilir. Sözgelimi karbon (C) atomunun değerliğinin 4 olması, onun 4 kimyasal bağ kurabileceği anlamına gelmektedir.

Kimyasal bağlar, bağ sayıları bakımından önceden belirlenmiş kurallara uymanın yanı sıra, bağ kuran atomların uzayda işgal ettiği pozisyonlar bakımından da sıkı kurallara bağlıdır. Bu ve benzeri bir dizi kural (ön koşul) bir reaksiyon kabına doluşa atomlar arasında nelerin oluşabileceği veya nelerin oluşmayacağını öngörebilmemizi sağlamaktadır.

Lewis Nokta Yapısı

Elementlerin değerlik elektronlarının her biri sembollerinin etrafına yerleştirilen noktalarla gösterilir. Bu gösterim biçimi elementlerin reaksiyona girme istekleri ve bağ yapabilme kapasitelerinin görsel bir ifadesini teşkil etmektedir. Lewis Nokta yapısı iyonlar ve moleküller için de kullanılır.

Şekil. Bazı elementlerin Lewis nokta yapısı

KİMYASAL BAĞ

İki veya daha fazla atom arasında, bu atomların kimyasal özellikleri değiştirecek düzeydeki çekim kuvvetlerine kimyasal bağ denilir. 

Şekil. Kristal örgü içerisinde atomların gerçek görünüşleri.

Octet Kuralı 

Soy gazlar dışındaki tüm atomların değerlik kabuklarında sekizden az elektronu bulunur. Başka bir deyişle, bu atomların değerlik kabuklarının sabit konfigürasyonları yoktur. Bu nedenle, istikrarlı elektronik konfigürasyonlar elde etmek için birbirleriyle veya diğer atomlarla birleşirler.

Atomlar arasındaki çekim kuvvetleri elektrostatik kuvvetlerdir ve zıt kutuplar tarafından karşılıklı olarak uygulanır. Atomlar genellikle yüksüz yapılar halindedir ancak çekirdekleri pozitif, dış kabukları meydana getiren elektronlar ise negatif yük taşırlar. Elektriksel yüklerin dağılımı bakımından bazı özel durumlar ortaya çıktığında atomlar, iyonlar ve moleküller aralarında kimyasal bağlanmalar gerçekleştirirler. Kimyasal bağları mümkün kılan kuvvetler maddenin fiziksel hallerinin (katı, sıvı, gaz) ortaya çıkmasında da iş görmektedir. Örneğin amorf veya kristal yapıların ortaya çıkışı bahsi geçen elektriksel kuvvetlerin atomik örgüye ne yönde etki ettiği ile alakalıdır.

Şekil. Karbon, oksijen ve hidrojen arasındaki bazı kimyasal bağlar.

Kimyasal bağları açıklamaya yönelik üç farklı kuram bulunmaktadır. Açıklama yelpazesinin geniş olması ve deneysel verilere en yakın açıklamaları barındırması bakımından çoğunlukla  “Değerlik Bağ Kuramı” tercih edilir.

  

Kovalent Bağ

Kovalent bağlar değerlik elektronların paylaşılması ile ortaya çıkar. İki atoma ait elektronların yerleştiği orbitallerinin ortaklaşmasıyla oluşan hibrit orbitaller, atomlar arasında bağlanma ile sonuçlanmaktadır. 

Lewis nokta gösterimi esasında temel düzeyde bir gösterimdir. Lewis kuramı olası bağ sayılarının bilgisini vermesine rağmen bağ açıları ve dolayısıyla moleküllerin asıl geometrileri hakkında bilgi vermemektedir. 

Bir diğer kuram olan VSEPR Kurama göre; moleküller, elektron çiftlerinin aralarında çekme en az olacak şekilde düzenlenir ve değerlik elektron çiftlerinin sayısına bağlı olarak moleküller belirli geometrileri sergiler.

Son olarak Değerlik Bağ Kuramına göre değerlik elektronlar x, y ve z eksenleri üzerine karşılıklı ve bir düzlem oluşturacak biçimde yerleşirler.

Şekil: Metan molekülünün geometrisi ve kovalent bağlar.

Kovalent Bağların Genel Özellikleri:

• Kovalent bağlanma yeni elektronların oluşmasına neden olmaz. Mevcut elektronlar eşleştirir.
• Atomlar arasında var olan çok güçlü kimyasal bağlardır.
• Kovalent bağ normalde mol başına yaklaşık ~ 80 kilokalori (kcal / mol) enerji içerir.
• Kovalent bağlar oluştuktan sonra nadiren kendiliğinden kırılır.
• Kovalent bağlar yönlüdür, burada bağlanan atomlar birbirine göre spesifik yönelimler gösterir.
• Kovalent bağlara sahip çoğu bileşik nispeten düşük erime noktaları ve kaynama noktaları sergiler.
• kovalent bağları olan bileşikler genellikle daha düşüktür buharlaşma ve füzyon entalpileri.
• Kovalent bağlamanın oluşturduğu bileşikler, serbest elektron eksikliği nedeniyle elektrik iletmez.
• Kovalent bileşikler suda çözünmezler.

Kovalent bağlar, Polar Kovalent Bağ ve Apolar Kovalent Bağ olarak ikiye ayrılır.

Polar Kovalent Bağ 

 

Bağ kuran atomların elektronegatiflik farkı nedeniyle elektronların eşit olmayan paylaşımı söz konusudur. Daha elektronegatif atomlar elektronlar için daha güçlü bir çekişe sahiptir.  Sonuç olarak, paylaşılan elektron çifti atomlardan birisine daha yakındır.

Su moleküllerindeki hidrojen bağları bu mekanizmanın doğal bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır.

Apolar Kovalent Bağ

Elementlerin elektronegatifliği eşit olduğu taktirde elektronlar da eşit olarak paylaşılır. Bu tip bağlanmalara hidrojen gazı, azot gazı örnek olarak verilebilir.

İyonik Bağlar

Atomlar arasındaki elektronegativite farklılığı bir atomdan diğerine elektron transferi ile sonuçlanıyorsa bu sürecin sonunda ortaya çıkan karşılıklı elektrostatik çekim nedeniyle iyonik bir bağlanma gerçekleşir.

Elektron aktarımı sonucu ortaya çıkan iyonlar arası mesafe her yönde ve tamamıyla eşit olduğu için iyonik bağlı elementler arasında düzenli (kristal) yapı oluşur.

Metalik Bağlar

İyonik bağlardan farklı olarak atomik örgüyü (kristal) oluşturan elektronlardan bazıları örgü içerisinde hareket edebilir.

KAYNAKLAR

Campell, Reece. Biology  11th edition

Ali Demirsoy. Yaşamın Temel Kuralları.

https://evrimagaci.org/evrenin-yogunlugu-ne-kadardir-ve-nasil-hesaplanir-12949

Herbert Spencer. BİYOLOJİNİN İLKELERİ.