Kimyasal Bağlanma II: Moleküler Şekiller, VB and MO Teorisi

Transkript

1 CHEM 1411 General Chemistry 10 Bölüm Konuları: Chemistry: A Molecular Approach by Nivaldo J. Tro Kimyasal Bağlanma II: Moleküler Şekiller, VB and M Teorisi * Moleküllerin şekillerini tahmin etmek için VSEPR Teorisini nasıl kullanıldığını öğrenmek. * Valence Bağ Teorisi ve Moleküler rbital Teorisi'nin temellerini ve nasıl kovalent bağ kurduklarını öğrenmek. Mr. Kevin A. Boudreaux Angelo State University VSEPR Teorisi 1 2

2 Moleküler Şekiller * VSEPR modeli,bir molekülün yaklaşık olarak şeklini Lewis nokta yapısından bulabilir,tek veya çift halde bulunan elektronları ve birini diğerinden uzak tutan ve aralarında mesafe bulunduran elektron grupları veya yük bulutlarını gösterir. - Her elektron grubu, tek veya çift değilse, bir elektron yük bulutu olarak sayılır. (Çoklu bağlar bir yük bulutu olarak sayılır.) - VSEPR modelinde 5 temel şekil vardır, kovalent bağa karşılık gelen yalnız çiftlerde bulunan yük bulutu sayısına göre farklı çeşitleri bulunur.. * Bir molekülün 3 boyutlu şekli molekülik kimyasal davranışının belirlenmesinde genellikle önem arz eder, özellikle biyolojik moleküller için önemlidir. Temel VSEPR Şekilleri VSEPR Teorisi İçin Balon Örneği MV: VSEPRmovie 3 4

3 Şekiller: İki Yük Bulutu * 2 bağ, 0 yalnız bağ (LP): doğrusal, 180 Cl Be Cl C Şekiller: Üç Yük Bulutu * 3 bağ, 0 LP: üçgen düzlemsel, 120 * 2 bonds, 1 LP: eğik, < 120 F F B F H C H S 5 6

4 Şekiller: Dört Yük Bulutu * 4 bağ, 0 LP: düzgün dörtyüzlü, * 3 bağ, 1 LP: üç köşeli piramit, <109.5 * 2 bağ, 2 LP: eğik, <109.5 H H C H H Şekiller: Beş Yük Bulutu H N H H H H 7 8

5 Şekiller: Beş Yük Bulutu * 5 bağ, 0 LP: üç yüzlü piramit, 120 (ekvatoral), 90 (eksen) * 4 bağ, 1 LP: kararsız (asimetrik dörtyüzlü), <120 ekvatoral), <90 (eksen) * 3 bağ, 2 LP: T-şekilli, <90 * 2 bağ, 3 LP: doğrusal, 180 Şekiler:Beş Yük Bulutu Cl Cl P Cl Cl Cl 9 10

6 Şekiller: Beş Yük Bulutu F F S F F Şekiller: Beş Yük Bulutu F Br F F F Xe F 11 12

7 Şekiller: Altı Yük Bulutu * 6 bağ, 0 LP: sekiz yüzlü, 90 * 5 bağ, 1 LP: Kare piramit,<90 * 4 bağ, 2 LP: kare düzlemsel, 90 F F Br F F F F F Xe F F F F F S F Şekiller: Altı Yük Bulutu F F

8 Büyük Moleküllerin Şekilleri * Büyük moleküllerin şekilleri molekülün içerisinde bulunan VSEPR teorisi kullanılarak tahmin edilebilen atomların şekillerinin bileşimidir. VSEPR Şekillerinin Özeti 15 16

9 VSEPR Şekillerinin Özeti VSEPR Şekillerinin Özeti 17 18

10 Moleküler Şekil ve Polarite * Di atomik moleküller için, molekülün polarlığı sadece kovalent bağın polarlığına bağlıdır: eğer ki bağ polar ise molekül de polar olmak zorundadır. Moleküler Şekil ve Polarite * Birden fazla bağ içeren moleküllerde, bağların şekil ve polaritesi molekülün polar olup olmadığını belirler

11 Moleküler Polaritenin Belirlenmesi * Bir molekülün polar olup olmadığını belirlenmesi: - Mokekül için bir Lewis yapısı çizilir ve VSEPR teorisini kullanarak şekli tahmin edilir. - Molekülük polar bağlar içerip içermediği belirlenir. Molekül polar bağ içeriyorsa, bir vektör eklenir ( ), her bağdaki elektronegatif atoma doğru işaret oluşturulur. - Bağları eşleştiren vektörler eklendikten sonra polar bağların bir araya gelip bir ağ oluşturup oluşturmadığı belirlenir. Vektörler toplamı sıfırsa, molekül apolardır, fakat bir vektör ağı varsa, molekül polardır. Moleküler Polaritenin Belirlenmesi 21 22

12 Moleküler Polaritenin Belirlenmesi Polar Moleküllerin Fiziksel Özellikleri * Molekül polaritesinin molekülün kimyasal ve fiziksel özellikleri üzerinde büyük bir etkisi vardır. - Polar moleküller bir diğer polar molekülü, apolar moleküllerden daha kuvvetli çekerler ve genelde daha yüksek kaynama noktasına sahiptirler. - Polar moleküller birbirleriyle apolar moleküllerle olduğundan daha fazla etkileşimde bulunurlar,bu da su(polar) ve yağ(apolar) karışımının iki katmana ayrılmasının sebebidir 23 24

13

14 Örnekler:Şekil ve Polarite 1. Aşağıdaki moleküllerin Lewis yapılarını yazın ve şekillerini belirleyin.polar olup olmadıklarını belirtin. a. BF 3 b. NH 3 c. SF 2 d. CF 4 e. N 3- Örnekler: Şekil ve Polarite 1. Aşağıdaki moleküllerin Lewis yapılarını yazın ve şekillerini belirleyin. Polar olup olmadıklarını belirtin. f. PF 3 g. HCN h. SbF 5 i. XeF 2 j. XeF

15 Valence Bağ Teorisi Bağ Kurma Modelleri *VSEPR Teorisi moleküllerin şeklini gösterebilir ancak o şekillerin nasıl meydana geldiğini gösteremez. * Daha gelişmiş kimyasal bağ modelleri, molekülleri tanımlamak için kuantum mekaniği ve dalga fonksiyonları/orbitaller hakkında daha kapsamlı sonuçlar verir ve molekül özellikleri hakkında kesin hesaplamalar yapmaya olanak sağlar. - Valence Bağ (VB) Teorisi Komşu atomlar üzerindeki örtüşmeden kaynaklanan kovalent bağları betimleyen modellere kıyasla daha basittir. - Moleküler rbital (M) teorisi molekül üzerinde dekolize olmuş moleküler orbitallerden şekillenen kovalent bağları 29

16 tasvir eden daha gelişmiş bir modeldir 30

17 Valence Bağ Teorisi * Valence bağ teorisinde, komşu atomların üst üste gelmesiyle oluşmuş orbitaller veya standart atomik orbitaller (s, p, d, f), veya hibritleşmiş atomik orbitaller mbireysel atomların bir araya gelmesiyle oluşur Bir çift atomun etkileşim enerjisi ikisi arasında mesafe görevi görür. Etkileşim sonucu sistem enerjisi düşerse bağ oluşur, aksi taktirde oluşmaz. - İki H atomu birbirine yaklaşırken - Figure 10.6 etkileşim enerjisi 1s orbitallerinin üst üste geldiğindeki kadar düşer, etkileşim enerjisi birden fazla 1s orbitalinin üst üste geldiğinde oluşan kadar azalır, atomlar 74 pm ayrıyken enerji minimum seviyeye ulaşana kadar sürer. Eğer atomlar yakındaki bir şeyi birlikte iterlerse, çekirdekleri arasındaki itme daha önemli bir hale gelmeye başlar ve etkileşim enerjisi artar. H2 için Etkileşim Enerjisi 31 2

18 Valence Bağ Teorisi" * Elektron çiftinin döndüğü yarı dolu orbitallerin üst üste gelmesi sonucu kovalent bağlar oluşur. * Her bir bağ kurmuş atom sahip olduğu atomik orbitalleri korur,fakat üst üste gelmiş orbitaldeki elektron çifti her iki atom tarafından paylaşılır. * Molekül şekli üst üste gelen orbitallerin geometrisine göre belirlenir. * Üst üste geçmiş orbital sayısı fazlaysa, bağ daha güçlüdür. Bu durum s orbitalleri diğer orbitallerden daha fazla olduğu zaman geçerlidir. Valence Bağ Teorisi; σ Bağları * Uç orbitallerin üst üste gelerek oluşturduğu bağlara sigma (σ) bağları denir

19 Hibrit rbitaller * s,p ve d orbitallerinin şekilleri moleküllerin şekli için açıklama yapmaz. - [Örnek olarak,karbonun elektron konfigürasyonu birbirine 90 açı yapan iki yarım dolu p orbitali içerir, ancak CH4 oluşturmak için dört bağ oluştur ve bağ açısına sahiptir. * Atomik orbitaller için Schrödinger denkleminden elde edilen dalga fonksiyonları matematiksel olarak bir araya gelerek hibrit atomik orbitalleri yeni bir dalga fonksiyonunu oluştururlar. * Hibrit orbital sayısı birleşmiş atomik orbitallerin sayısına eşittir; her elektron çifti için bir hibrit orbitale ihtiyaç duyarız. (bağ veya yalnız çift). 2 yüku 2 sp orbitalleri bulut 3 yük bulutu Hibrit rbitaller 3 sp 2 orbitalleri 4 yüku 4 sp 3 orbitalleri (109.5 ) bulut 5 yük bulutu 5 sp 3 d orbitalleri 6 yük bulut u 6 sp3 d 2 orbitalleri octahedral (90 ) düzlemsel(180 ) trigonal planar (120 ) trigonal bipyramidal (90, 120 ) * Kullanılacak hibriditasyona karar verilirken çoklu bağlar bir kez daha tek bir tane olarak sayılırlar

20 sp 3 Hibritizasyon * s ve bütün üç p orbitalleri bir araya geldiğinde, orbitallerin hibritleşmesi sonucu sp 3 hibrit orbitalleri oluşur. * Bu 4 orbital bir dörtyüzlünün köşelerini gösterir (109.5 ). * sp 3 orbitalleri CH 4 ve C 2 H 6, içerisindeki C atomlarını, NH 3 içerisindeki N atomlarını ve H 2 içerisindeki atomlarını tanımlamak için kullanılır. Figure 10.7 sp 3 Hibritleşmesi MV: Hybridization 37 38

21 Metan İçerisindeki sps 3 rbitalleri Amonyak İçerisindeki sp 3 rbitalleri 39 40

22 Etan içerisindeki sp 3 rbitalleri, C 2 H 6 H H H C sp 2 Hibritizasyonu C H H * s ve üç p orbitallerinin ikisi bir araya geldiğinde,sp 2 hibrit orbitalalleri oluşur. * Bu üç orbital eşkenar üçgenin köşelerini oluşturur(120 ), hibritleşmemiş p orbitale bu düzleme diktir. * sp 2 orbitalleri BF 3 içerisinde ki B atomlarını ve etilen, C 2 H 4 içerisindeki C atomlarını belirlemekte kullanılır. H 41 42

23 Figure 10.8 sp 2 Hibritizasyonu BF 3 İçerisindeki sp 2 rbitalleri 43 44

24 sp 2 Hibritizasyonu ve π Bağları * Hibritlenmiş iki sp 2 atomu katıldığında,iki çeşit üst üste geliş sonucunda bir çift bağ oluşur. Figure sigma (σ) bağı re sp 2 orbitallerinin uçlarının üst üste gelmesi sonucu oluşur. - pi (π) bağı p orbitallerinin yan taraflarının üst üste gelmesi sonucu oluşur. VB Teorisindeki Tek ve Çift Bağlar * sigma (σ) bağı silindirik(p, sp, sp 2, sp 3, etc.) veya küresel (s) orbitallerin uçlarının üst üste gelmesi sonucu oluşur. - σ-bağları simetrik silindirdir ve etraflarında serbest rotasyon bulunur. - Bütün tek bağlar σ-bağıdır. * pi (π) bond p orbitallerinin sp 2 - v e y a sphibritlenmiş atomlarıyla yanal olarak üst üste gelmesi sonucu oluşur. - π-bağları yüksek yoğunluklu elektron bölgelerine sahiptir - - ve σ-bağ ekseninin altında; π-bağı etrafında serbest rotasyona izin verilmez. Bir çift bağ :σ-bağı + π-bağı. Bir üçlü bağ: σ-bağı+ 2 π-bağı

25 Formaldehit İçerisindeki sp2 rbitalleri, CH 2 Etilen İçerisindeki sp2 rbitalleri, C 2 H 4 sp 2 sp 2 p sp 2 π-bond σ-bond sp 2 47

26 p sp 2 sp 2 48

27 sp2 İçerisindeki Cis ve Trans İzomeri Hibritizasyonu sp Hibritizasyonu * s ve üç p orbitallerinden biri bir araya geldiğinde, sp hibrit orbitalleri oluşur. * Bu iki orbital arasında 180 açı vardır,hibritlenmemiş p orbitali bu çizgiye 90 açı yapar. * sp orbitalleri BeCl 2 içerisindeki Be atomlarını, ve asetilen içerisindeki C atomlarını, C 2 H 2 belirtmek için kullanılır

28 Figure sp Hibritizasyonu BeCl İçerisindeki sp rbitalleri Asetilen İçerisindeki sp rbitalleri 51

29 AsF5 sp 3 ve sp 3 d 2 Hibritizasyonu * s ve p orbitalleri genişletişmiş oktetli moleküllerde d orbitalleri ile de bir araya gelebilirler. - s + p + p + p + d = sp 3 d hibrit orbitalleri s + p + p + p + d + d = sp 3 d 2 hibrit orbitalleri AsF 5 İçersisindeki sp 3 rbitalleri rbitalleri; SF 6 İçerisindeki sp 3 d 2 çersisindekii H ibr it rbitalleri SF6 İçerisindeki sp3d2 Hibrit rbitalleri 53 54

30 Yük Bulutları ve Enerji rbitalleri Moleküler rbital Teorisi 55 56

31 Moleküler rbital Teorisi ceğerlik bağmodelini gözümüzün önünde * VSEPR bağ modelini gözde canlandırmak kolaydır ve bir çok molekül için işe yarar, fakat manyetik ve specral özellikleri tanımlamada işe yaramaz. Bu olayları açıklamak için başka bir model kullanılır. * Moleküler rbital (M) teorisinde,elektronlar bireysel atomdan ziyade bütün moleküle ait olan moleküler orbitale tutunur. * Atomik veya hibrit orbitaller moleküler orbital oluşturmak için üst üste geçerler. Bu geçiş orbitaller arasında yapıcı ve yıkıcı girişimlerinin her ikisine de sebep olur. * Biçimlenmiş moleküler orbitallerin sayısı bir araya gelmiş atomik orbitallerin sayısına eşittir. Yapıcı ve Yıkıcı Girişim * Eklenen kombinasyonlar (atomik orbitaller arasındaki yapıcı girişimlerin sonucu) bağ yapan moleküler orbitalleri(σ,π) oluşturur. - Atomik orbitallerden daha düşük enerjilidir. - Bu orbitallerdeki elektronlar zamanlarının çoğunu temel olanların arasında harcarlar, atomların bir araya gelip bağ yapmasına yardımcı olurlar. * Eksilen kombinasyonlar (atomik orbitaller arasındaki yıkıcı girişimlerin sonucu) form bağ yapmayan moleküler orbitalleri (σ*,π*) oluşturur. - Atomik orbitallerden daha yüksek enerjiye sahiptirler. - Bu orbitallerdeki elekronlar merkez bölgedeki düğümde bulunamazlar ve bağa katkıda bulunmazlar

32 H 2 Molekülündeki Moleküler rbitaller * İzole edilmiş iki H atomu birbirleriyle etkileşime geçtiklerinde, 1s orbitalleri birbirleriyle karışır, ve elektronlar iki atoma yayılır. H2 Molekülündeki Moleküler rbitaller * Ayrı 1s orbitallerinde kullanılan iki elektron, şimdi σ bağlı moleküler orbitalinde bulunur, Bir molekül içerisinde bulunduğunda, iki ayrı H atomu içerisinde bulunduğundan daha düşük enerjiye sahiptir: 60

33 Bond order = Neden He 2 Şekline Giremez - (bonding e ' s) -(antibondi ng 2

34 - e 's) M Teorisi ve Diğer Diatomik Moleküller * Yalnızca iki aynı atomdan oluşan homonükleer di atomik moleküllere göz atacağız (e.g., H 2, N 2, 2, F 2 ). * Basit bir VB modelinde, 2 molekülündeki bütün elektronlar çifttir; deneysel olarak, fakat, 2 nin manyetik olduğu bulunmuştur. * Matematiksel anlamda daha gelişmiş M modelleri 2 nin elektronik özelliklerini daha doğru tahmin * edebilir. Takip eden slaytlarda,σ 2s ve σ 2s * orbitalleri 2s orbitallerinin üst üste gelmesi sonucu oluşur; σ 2p ve σ 2p * orbitalleri 2p orbitallerinin uçlarının üst üste gelmesi sonucu oluşur; π 2p ve π 2p * 2p orbitallerinin yanal olarak üst üste gelmesi sonucu oluşur

35 Atomik rbitalerinden s,σ*,π,ve π* Moleküler rbitalleri B 2 den Ne 2 ye Kadar Moleküler rbital Enerji Diagramları 63 64

36 * VB ve M Teorisinin Birleşimi Valence bağ teorisi kavramsal olarak daha basittir,σ bağlarını tanımlamada iyi sonuç verir; fakat moleküler orbital teorisi daha doğru sonuç verir,π bağlarını tanımlamada daha iyidir. Pratikte, genelde bu iki teorinin birleşimi kullanılır. Lowest energy π bonding molecular orbital: Benzen İçerisindeki Moleküler rbitaller 66

37 H H3C H İlginç Şekille,Güzel CH3 N N N N H CH3 Caffeine CH3 α-irone H H Cholesterol Moleküller,Koku, CH3 İlginç Moleküller Taraflılık H N CH3 H T a x o l 67

38 lestra H H H 68

39 Garip Şekiller ve Güzel Moleküller Şekil ve Koku 69 70

40 Şekil ve Tat * Sakkaroz (sofra şekeri) ve aspartam (Nutra-Şekil) çok farklı moleküllerdir, fakat ikiside dilde aynı tat alma reseptörüyle etkileşim kurar, ve şekilleri oldukça benzerdir, ve ikiside tatlılık duyusunu başlatır. Moleküler Taraflılık - Sağ el sadece sağ el için olan eldivene tam olarak girer. - Bu objeler aynadan yansıdığında şekilleri tersine döner. Bir sağ el eldiveni aynada ters olarak sol el eldiveni gibi görünür. * Bu tek bağ kurmuş atomlarla daha fazla ortak noktaya sahiptir, sp 3 -hibritlemiş karbon; dört farklı şeyin bağlantı kurtuğu bir tetrahedral mümkün olan iki yoldan birine yönelmiş olabilir ve kiral olduğu söylenir

41 Z Y C W Sağ ve Sol Karbonlar W X C Y Z ayna ayna Z W C Y C W

42 Z Y X Sterioizomerler&Fiziksel/Biyolojik Özellikleri * Kiral karbon içeren bir organik molekül iki farklı stereoisomerlerden birisi olabilir. - Bu küçük farklılıklar tüm farklı 3-D şekilleri üretebilir, farklı kimyasal özelliklere sahip olan iki sterioizomere sebep olurlar. - Birçok biyolojik kiral karbonlardan yapılan molekülleri kullandığından beri (amino asitler, proteinler, yağlar, karbonhidratlar, nükleik asitler, vs.), iki farklı sterioizomer kuvvetli biyolojik özellik farklılıklarına sahip olabilir

43 Dekstrometorfan ve Levometorfan * Dekstrometorfan ideal bir öksürük kesicidir. * Ayna görüntüsü, levometorfan, morfine benzer etki yaratan narkotik bir ağrı kesicidir. Karvon * Solak karvon nane bitkisinde bulunur, karakteristik bir kokusu vardır. * Sağlak karvon bir takım bitkide görülür, ve kimyon kokusuna sahiptir. 76

44 Thalidomide * 1956'ya kadar, thalidomide çok güvenli,yaygın bir yatıştırıcı olarak kabul edildi; en çok hamile bayanların sabah hastalığı için satıldı. Daha sonra, hamileliğin erken dönemlerinde kullanan bayanların doğumunda büyük sorunlara sebep olduğu bulundu, ve Avrupa'da yasaklandı, U.S'de satışına asla izin verilmedi N N H Kolestrol * Kolestrol 8 kiral karbona sahiptir ve 28 = 256 maksimum farklı formda bulunabilir; görülen tek bir doğal kolestrol formu vardır. H 77 78