Lewis, hibritleşme, geometri
Bir molekülün nasıl davranacağını şekli belirler. Şekli belirleyen şey ise merkez atomun etrafındaki elektron çiftleridir — hem bağ yapanlar hem yapmayanlar. Bu ünitede zinciri baştan sona kuracaksın: değerlik elektronu → Lewis yapısı → hibritleşme → bağ açısı → geometri → polarlık.
Bir elementin son katmanındaki elektronlara “değerlik elektronları” denir. Değerlik elektronlarının atomun sembolü etrafında nokta ile gösterilmesine “Lewis yapısı” ya da “Lewis formülü” denir. Kimyasal bağlanmada bu elektronlar rol oynar.
Bağ oluşumuna katılan elektronlara “ortaklanmış (bağlayıcı) elektron” denir.
Bir bağ ortaklaşa kullanılan iki elektrondan oluştuğundan bağı oluşturan elektronlar “bağlayıcı elektron çifti” şeklinde ifade edilir.
Molekülde bağ oluşumuna katılmayan elektronlara “ortaklanmamış elektron”, bu elektronlar çift hâlinde bulunuyorsa “ortaklanmamış elektron çifti” denir.
Bu çiftler görünmez değildir: molekülün şeklini ve bağ açısını onlar belirler. Sonraki bölümde bunun sebebini göreceksin.
İki azot atomu arasında ortaklanmış elektron çiftleri — bağ oluşumuna katılan 3 çift elektron. Ayrıca her azotun üzerinde ortaklanmamış elektron çifti — bağ oluşumuna katılmayan 2 çift elektron.
Yani N₂’de toplam 10 değerlik elektronu var: 6 tanesi üçlü bağı kuruyor, 4 tanesi (iki çift) bağ dışında kalıyor.
Düğmelerle bir atom ya da molekül seçiyorsun. Canvas sembolün dört yanına değerlik elektronlarını tek tek yerleştiriyor: önce her yöne birer nokta koyuyor, elektron kalmışsa eşleştiriyor — bu, Lewis yapısının çizim mantığının kendisi. B (3 elektron), N (5), F (7) ve Ne (8) seçildiğinde noktaların sayısı ve eşleşme durumu değişiyor. Molekül seçildiğinde canvas ekranı ikiye renklendiriyor: bağ yapan çiftler bir renkte, bağ yapmayanlar başka renkte ve sağdaki sayaç ikisini ayrı ayrı sayıyor. N₂’de sayaç 3 ortaklanmış çift · 2 ortaklanmamış çift gösteriyor.
Lewis yapıları çizilirken izlenmesi gereken adımlar şunlardır:
4. adımdaki sıraya dikkat: önce uç atomlar, artan elektron varsa sonra merkez. Bu sıra bozulursa yapı yanlış çıkar. 5. adım ise ancak merkez atomun okteti eksik kaldığında devreye girer.
Bir molekül seçiyorsun, kaydırak beş adımı sırayla uyguluyor. 1. adımda her atomun değerlik elektronu ayrı ayrı yazılıp toplanıyor ve toplam ekranın üstünde bir sayaç olarak beliriyor. 2. adımda merkez atom ortaya, uç atomlar çevreye yerleşiyor. 3. adımda tekli bağlar çiziliyor ve sayaçtan harcanan elektronlar düşülüyor — sayacın azalışı canlı görülüyor. 4. adımda önce uç atomların oktetleri doluyor, artan varsa merkeze gidiyor. 5. adımda merkez atomun okteti eksikse tekli bağlardan biri ikili ya da üçlü bağa dönüşüyor ve dönüşen bağ vurgulanıyor. CO₂ seçildiğinde 5. adımda iki bağın birden ikiliye dönüştüğü görülüyor; H₂O’da ise 5. adımda hiçbir şey değişmiyor — çünkü oktet 4. adımda zaten tamamlanmış oluyor.
Aynı enerji düzeyinde bulunan farklı orbitallerin kendi aralarında örtüşerek eş enerjili yeni orbitaller oluşturmasına “hibritleşme (melezleşme)”, oluşan yeni orbitallere ise “hibrit (melez) orbital” denir.
H₂ Molekülü: Yarı dolu s orbitalleri uç uca örtüşerek bir kovalent bağ oluşturur. ₁H: 1s¹ + ₁H: 1s¹
F₂ Molekülü: Yarı dolu p orbitalleri uç uca örtüşerek bir kovalent bağ oluşur. ₉F: 1s² 2s² 2p⁵ + ₉F: 1s² 2s² 2p⁵
HF Molekülü: H atomunun yarı dolu 1s orbitali ile F atomunun yarı dolu 2p orbitali uç uca örtüşerek bir kovalent bağ oluşur.
O₂ Molekülü: İki O atomunun birbirine dik konumdaki yarı dolu 2p orbitallerinden birer tanesi uç uca örtüşür. Oluşan sigma bağına dik konumdaki diğer yarı dolu p orbitalleri yan yana örtüşerek iki O atomu arasında ikinci kovalent bağı oluşturur. ₈O: 1s² 2s² 2p⁴
İki orbitalin uç uca gelerek örtüşmesiyle oluşan bağlara “sigma (σ) bağı” denir.
Düzlemin altında ve üstünde bulunan p orbitallerinin düzleme dik şekilde birbiriyle yan yana örtüşmesiyle oluşan bağa “pi (π) bağı” denir.
Atomlar arasında oluşan ikinci ve üçüncü bağlar yalnızca hibritleşmeye katılmayan p orbitalleriyle oluşur.
Dört molekül düğmeyle geziliyor; kaydırak iki atomu birbirine yaklaştırıyor ve orbitallerin örtüşmesi gerçekten izleniyor. H₂’de iki küre (s orbitali) uç uca yaklaşıp kesişiyor. F₂’de iki lob (p orbitali) uç uca geliyor. HF’de bir küre ile bir lob örtüşüyor — farklı türde iki orbitalin aynı bağı kurabildiği görünüyor. O₂ ise ayrı: kaydırak ortaya geldiğinde önce uç uca örtüşme tamamlanıp σ bağı etiketi çıkıyor, kaydırak sonuna gelince düzleme dik duran ikinci çift lob yan yana örtüşüp π bağı etiketi beliriyor. Canvas σ bağını çekirdekleri birleştiren eksende, π bağını düzlemin altında ve üstünde çizerek ikisinin neden farklı olduğunu gösteriyor.
Üç satırda da toplam bağ sayısı 4. Değişen tek şey kaç tanesinin sigma olduğu — ve hibritleşme türü yalnızca sigma sayısına bakıyor.
Son iki madde birbirinin sonucu: pi bağı daha zayıf olduğu için tepkimede önce o kopar. Alkenlerin ve alkinlerin alkanlardan çok daha fazla tepkime vermesinin sebebi budur.
Üç örnek molekül geziliyor: CH₄, C₂H₄ ve C₂H₂. Canvas seçilen molekülü çiziyor ve her bağın üstüne σ ya da π etiketi koyuyor: çift bağın bir çizgisi σ, öbürü π olarak ayrı renklerde işaretleniyor, üçlü bağda bir σ, iki π çıkıyor. Altındaki iki sayaç sigma ve pi bağlarını ayrı ayrı topluyor; sağdaki rozet sigma sayısına bakıp sp³ / sp² / sp yazıyor. Aynı ekranda karbonun toplam bağ sayısının hep 4 kaldığı ayrı bir satırda gösteriliyor — hibritleşmenin neden yalnız sigmaya baktığı böyle görünür oluyor. Dördüncü düğme bağ uzunluğu ve sağlamlığı karşılaştırmasına geçiyor: iki çubuk yan yana, sigma çubuğu daha kısa ve daha kalın, altında “tepkimede önce pi kopar” uyarısı.
Değerlik Katmanı Elektron Çifti İtme Kuramı’na (VSEPR) göre molekülde ortaklanmış elektronlar ile ortaklanmamış elektron çiftlerinin birbirinden olabildiğince uzak konumlarda bulunması gerekir ve bu durumdaki atomların konumuna göre molekül geometrisi belirlenir.
Moleküllerin VSEPR gösteriminde kullanılan;
Örnek gösterimler: AX₄ (CH₄) · AX₃E (NH₃) · AX₂ (BeH₂) · AX₃ (BH₃)
İki atomlu moleküllerin geometrik şekli doğrusaldır. İki atomlu moleküllerde merkez atom, hibritleşme, bağ açısı ve VSEPR gösterimi söz konusu değildir.
Tabloda LiH ve HF satırlarındaki “—” işaretlerinin sebebi budur: iki atomlu oldukları için o dört sütun onlar için tanımsızdır.
| Grup | Bileşik | Molekül şekli ve geometrisi | Bağ açısı | Polarlık | VSEPR | Hibritleşme |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1A | LiH | Doğrusal | — | Polar | — | — |
| 2A | BeH₂ | Doğrusal | 180° | Apolar | AX₂ | sp |
| 3A | BH₃ | Düzlem üçgen (üçgen düzlem) | 120° | Apolar | AX₃ | sp² |
| 4A | CH₄ | Düzgün dörtyüzlü | 109,5° | Apolar | AX₄ | sp³ |
| 5A | NH₃ | Üçgen piramit | 107° | Polar | AX₃E | sp³ |
| 6A | H₂O | Açısal (kırık doğru) | 104,5° | Polar | AX₂E₂ | sp³ |
| 7A | HF | Doğrusal | — | Polar | — | — |
Tablonun sırrı 4A, 5A ve 6A satırlarında. Üçünün de hibritleşmesi sp³, yani merkez atomun etrafında dört elektron grubu var. Değişen tek şey bu dördün kaçının bağ, kaçının ortaklanmamış çift olduğu: CH₄’te 4 bağ + 0 çift → 109,5°; NH₃’te 3 bağ + 1 çift → 107°; H₂O’da 2 bağ + 2 çift → 104,5°. Ortaklanmamış çift arttıkça bağ açısı küçülüyor — çünkü bu çiftler bağ çiftlerinden daha çok yer kaplayıp onları sıkıştırıyor.
Yedi bileşik tek tek çiziliyor. Canvas merkez atomu ortaya koyup bağlı atomları gerçek bağ açısıyla yerleştiriyor: BeH₂’de iki atom tam karşılıklı (180°), BH₃’te üçü 120° aralıklı, CH₄’te dört yön düzgün dört yüzlü izdüşümüyle (109,5°), NH₃’te üç bağ aşağı bakan piramit (107°) ve H₂O’da iki bağ arasında 104,5°. Ortaklanmamış elektron çiftleri ayrı bir renkte, bulut şeklinde çizilip merkez atomun üstünde yer kaplıyor — bağların onlardan kaçtığı görülüyor. Üstteki açı yayı ölçüyü canlı yazıyor, altta VSEPR gösterimi ve polarlık rozeti duruyor. İki atomlu LiH ve HF seçildiğinde canvas açı yayını hiç çizmiyor ve “iki atomlu molekülde merkez atom, hibritleşme, bağ açısı ve VSEPR gösterimi söz konusu değildir” uyarısını basıyor.
Aynı ekranda CH₄, NH₃ ve H₂O üst üste çiziliyor — üçü de sp³. Kaydırak ortaklanmamış çift sayısını 0’dan 2’ye taşıyor; her adımda merkez atomun üzerinde bir bulut daha beliriyor ve bağlar gözle görülür biçimde birbirine yaklaşıyor. Sağdaki çubuk bağ açısını gösteriyor: 109,5° → 107° → 104,5°. Böylece “aynı hibritleşme, farklı geometri” tuzağının sebebi tek bir kaydırakla görünür hâle geliyor.
Su molekülü açısal (kırık doğru) olduğu için polardır. Düz bir çizgi olsaydı iki bağ birbirini dengeler, su apolar çıkardı — o zaman ne tuz çözünürdü ne de eller ıslanırdı. Her şeyi belirleyen 104,5°lik açı.
Mikrodalga polar molekülleri titretir. Su polar olduğu için yemek ısınır; cam ve tabak apolar ya da katı yapıda olduğu için görece soğuk kalır. Isınmanın sebebi moleküllerin şeklidir.
Doğal gazın ana bileşeni CH₄: AX₄, sp³, 109,5°, düzgün dörtyüzlü ve apolar. Simetrik olduğu için suda çözünmez — bu yüzden gaz kaçağı suya değil, havaya karışır.
Amonyak (NH₃) üçgen piramit ve polar. Merkez azottaki ortaklanmamış çift hem şekli bozuyor hem de o keskin kokunun kaynağı olan tepkimeleri mümkün kılıyor.
HF iki atomlu bir moleküldür: doğrusaldır, polardır, ama bağ açısı ve VSEPR gösterimi yoktur. İki atomlu her molekülde durum aynı — soruda bağ açısı sorulursa cevap “söz konusu değil”.
Polietilen, etilen (C₂H₄) moleküllerinin birleşmesiyle yapılır. Etilendeki pi bağı önce koptuğu için zincir uzayabiliyor. Sigma bağı kopsaydı molekül parçalanırdı.
Kaynakta kullanılan asetilen C₂H₂: karbon 2 sigma + 2 pi bağı yapmış, hibritleşme sp. Üçlü bağdaki iki pi bağının taşıdığı enerji, alevi çok yüksek sıcaklığa çıkarır.
O₂’de bir σ ve bir π bağı var. Akciğerde hemoglobine bağlanırken kopan bağ değil, kurulan bağ; ama yanma tepkimelerinde önce pi bağı kopar.
CO₂ doğrusal ve apolar bir moleküldür; bu yüzden suda az çözünür ve basınç düşünce hemen kabarcık olarak çıkar. Şişeyi açtığında duyduğun ses molekülün şekliyle ilgili.
51 soruluk test · değerlik elektronu ve Lewis yapısı, beş adımlı çizim kuralı, orbital örtüşmesi ve hibritleşme, sigma ile pi bağının farkları, VSEPR gösterimi ve yedi bileşiğin geometrisi
Değerlik elektronları = son katmandaki elektronlar. Bunların sembol etrafında nokta ile gösterilmesi Lewis yapısıdır. Bağa katılanlar ortaklanmış (bağlayıcı), katılmayanlar ortaklanmamış elektronlardır.
1) Toplam değerlik elektronu bulunur · 2) çok bağ yapan atom merkeze · 3) tekli bağlarla iskelet · 4) kalan elektronlarla önce uç atomların dublet/okteti, artan varsa merkez · 5) merkezin okteti ikili veya üçlü bağla tamamlanır.
Aynı enerji düzeyindeki farklı orbitallerin örtüşerek eş enerjili yeni orbitaller oluşturması. Oluşan orbitallere hibrit (melez) orbital denir.
H₂: s–s uç uca · F₂: p–p uç uca · HF: s–p uç uca · O₂: bir p–p uç uca (σ) + bir p–p yan yana (π).
σ: iki orbitalin uç uca örtüşmesi. π: düzlemin altında ve üstündeki p orbitallerinin yan yana örtüşmesi. İlk bağ daima σ; ikili bağ = 1σ + 1π; üçlü bağ = 1σ + 2π.
Sigma bağları pi bağlarına göre daha kısa, daha sağlam ve bağ enerjileri daha yüksektir. Kimyasal tepkimelerde pi bağları önce kopar. Pi bağını oluşturan orbitaller hibritleşmeye katılmaz.
4σ → sp³ · 3σ + 1π → sp² · 2σ + 2π → sp. Toplam bağ sayısı hep 4; hibritleşme yalnız sigma sayısına bakar.
Ortaklanmış ve ortaklanmamış elektron çiftleri birbirinden olabildiğince uzak durur. A merkez atom, X bağlı atomlar, E merkezdeki ortaklanmamış çiftler.
BeH₂ doğrusal, 180°, apolar, AX₂, sp · BH₃ düzlem üçgen, 120°, apolar, AX₃, sp² · CH₄ düzgün dörtyüzlü, 109,5°, apolar, AX₄, sp³ · NH₃ üçgen piramit, 107°, polar, AX₃E, sp³ · H₂O açısal, 104,5°, polar, AX₂E₂, sp³.
Geometrik şekli doğrusaldır. Merkez atom, hibritleşme, bağ açısı ve VSEPR gösterimi söz konusu değildir. LiH ve HF bu yüzden tabloda “—” alır (ikisi de polardır).