Organik Kimyaya Giriş ve Karbon Allotropları

Ortadaki büyük top bir karbon atomu, küçük toplar hidrojen. Karbonun dış katmanında 4 elektron vardır; bu yüzden 4 bağ kurar. Dört bağ en uzağa yayılınca aralarında $109{,}5^\circ$ olur: bu molekül metandır, $\text{CH}_4$.

Üst rafta canlılardan tanıdığımız maddeler var: metan (doğal gaz), etanol (alkol), glikoz (şeker). Alt rafta mineraller: yemek tuzu, kireç taşı, karbon dioksit. Eskiden üsttekileri yalnızca canlılar yapabilir sanıldı; onlara organik dendi.

1828'de Wöhler, cansız bir tuz olan amonyum siyanatı ısıttı. İyonların atomları yeniden dizildi ve idrarda bulunan üre oluştu. Organik bileşik yapmak için canlı gerekmiyordu: "yaşam gücü" kuramı sarsıldı.

Bugün organik kimya, karbon bileşiklerinin kimyasıdır. Alt raftaki turuncu halelere bak: orada da karbon var. Karbon oksitleri, karbonatlar, siyanürler ve karbürler karbon içerse de anorganik sayılır.

Karbonun asıl gücü kendi atomlarıyla sağlam bağ kurmasıdır. Karbonlar art arda eklenip zincir oluşturur; her karbonun boşta kalan bağlarına H bağlanır. Beş karbonlu bu zincir pentandır: $\text{C}_5\text{H}_{12}$.

Ortadaki bir karbona yeni karbon bağlanırsa dallanmış zincir olur. Zincirin iki ucu birbirine bağlanırsa halka kapanır; uçlardaki iki H ayrılır. Aynı altı karbondan bambaşka moleküller çıkar.

İki karbon iki ya da üç elektron çifti paylaşabilir: ikili ve üçlü bağ. İkili bağın çevresi düzlemseldir ($120^\circ$), üçlü bağınki doğrusaldır ($180^\circ$). Düz, dallı, halkalı, tekli, çoklu: milyonlarca organik bileşik bu çeşitlilikten doğar.

Bileşik oksijenle tamamen yanınca bütün C $\text{CO}_2$'ye, bütün H suya dönüşür. Gazlar önce su tutucudan, sonra $\text{CO}_2$ tutucudan geçer. Terazilerdeki artış, oluşan su ve $\text{CO}_2$ kütlesidir.

$\text{CO}_2$'nin $\tfrac{12}{44}$'ü karbondur: $13{,}2 \cdot \tfrac{12}{44} = 3{,}6$ g C. Suyun $\tfrac{2}{18}$'i hidrojendir: $7{,}2 \cdot \tfrac{2}{18} = 0{,}8$ g H. Toplam $4{,}4$ g, örneğin tamamı: bileşik bir hidrokarbondur.

Ürünlerdeki oksijenin bir kısmı yakmada kullanılan $\text{O}_2$'den gelir; onu sayma. Bileşikteki oksijen kalan farktır: $9$ g örnekte $9 - 3{,}6 - 0{,}6 = 4{,}8$ g O.

Kütleleri mole çevir: C $0{,}3$, H $0{,}6$, O $0{,}3$ mol. Oran $1 : 2 : 1$, basit formül $\text{CH}_2\text{O}$ ($30$ g/mol). Mol kütlesi $60$ ise $n = 2$: $\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$, asetik asit.

Aynı elementin farklı yapıdaki biçimlerine allotrop denir. Elmasta her karbon, dörtyüzlünün köşelerindeki dört karbona bağlıdır ($sp^3$, $109{,}5^\circ$). Ağ üç yönde kesintisizdir: elmas en sert doğal maddedir ve elektriği iletmez.

Grafitte her karbon üç komşuya bağlıdır ($sp^2$); altıgen halkalı katmanlar oluşur. Katmanlar arası çekim zayıftır, katmanlar kayar: kalem ucu iz bırakır. Hibritleşmeye katılmayan $p$ elektronları katman boyunca gezer: grafit iletkendir.

$\text{C}_{60}$ fullereninde 60 karbon, 12 beşgen ve 20 altıgen halkayla kapalı bir kafes kurar; iki beşgen yan yana gelmez. Elmas ve grafit dev ağdır, fulleren ise ayrı moleküllerden oluşur ve bazı organik çözücülerde çözünür.

Grafitin tek atom kalınlığındaki katmanına grafen denir: çok sağlam, esnek, neredeyse saydam ve çok iyi iletken. Grafen silindir gibi sarılırsa karbon nanotüp olur; bal peteği deseni aynı kalır.

Elmas $sp^3$, üç boyutlu ağ: en sert, iletmez. Grafit $sp^2$, katmanlı: kaygan, iletken. Fulleren kapalı kafes molekül, nanotüp sarılmış grafen. Hepsi yalnızca karbondur; tamamen yanınca hepsi $\text{CO}_2$ verir.