BÖLÜM 31 HÜCKEL MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ

Benzer belgeler
BÖLÜM 30 MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ 2.KISIM

BÖLÜM 26 İKİ ELEKTRON: UYARILMIŞ DÜZEYLER

BÖLÜM MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ 1.KISIM

BÖLÜM 27 ÇOK ELEKTRONLU ATOMLAR

BÖLÜM 24 PAULI SPİN MATRİSLERİ

Ders #15 için okuma: Bölümler 3.4, 3.5, 3.6 ve 3.7 (3.baskıda, Bölümler 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 ve 3.8) Değerlik Bağı Teorisi.

Değerlik Kabuğu Elektron Çiftleri İtmesi (VSEPR) (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)

BÖLÜM 2 ATOMİK YAPI İÇERİK. Atom yapısı. Bağ tipleri. Chapter 2-1

I. POLAR KOVALENT BAĞLAR/POLAR MOLEKÜLLER

BÖLÜM 17 RİJİT ROTOR

İNSTAGRAM:kimyaci_glcn_hoca

5.111 Ders Özeti #28 Geçiş Metalleri: Kristal Alan Teorisi Bölüm 16 s ( 3. Baskıda s ) Cuma Günü nün materyali.

5.111 Ders Özeti #12. Konular: I. Oktet kuralından sapmalar

BÖLÜM 25 HELYUM ATOMU

1. İskelet yapısını çiziniz. H ve F daima uç atomlardır. En düşük iyonlaşma enerjisine sahip element merkez atomudur (bazı istisnalar mevcuttur).

Chemistry, The Central Science, 10th edition Theodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.; and Bruce E. Bursten. Kimyasal Bağlar.

MOLEKÜL GEOMETRİSİ ve HİBRİTLEŞME. (Kimya Ders Notu)

GENEL KİMYA. 4. Konu: Kimyasal türler, Kimyasal türler arasındaki etkileşimler, Kimyasal Bağlar

GENEL KİMYA. 4. Konu: Kimyasal türler, Kimyasal türler arasındaki etkileşimler, Kimyasal Bağlar

KİMYA-IV. Alkenler (3. Konu)

Soygazların bileşik oluşturamamasının sebebi bütün orbitallerinin dolu olmasındandır.

3. Merkez atomu orbitallerinin hibritleşmesi

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

Konular: I. Değerlik bağı teorisi ve melezleģme (Ders #15 den devam) Karmaşık moleküllerde melezleşme tayini

KİMYA-IV. Alkenler (3. Konu)

SCHRÖDİNGER: Elektronun yeri (yörüngesi ve orbitali) birer dalga fonksiyonu olan n, l, m l olarak ifade edilen kuantum sayıları ile belirlenir.

Bir atomdan diğer bir atoma elektron aktarılmasıyla

Elementlerin büyük bir kısmı tabiatta saf hâlde bulunmaz. Çoğunlukla başka elementlerle bileşikler oluşturmuş şekilde bulunurlar.

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

BÖLÜM 34 SPEKTROSKOPİ: IŞIĞIN YER ALDIĞI MOLEKÜLER PROBLAR

KİMYA-IV. Aromatik Hidrokarbonlar (Arenler) (5. Konu)

ANORGANİK KİMYA TEMEL KAVRAMLAR

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

ATOMLAR ARASI BAĞLARIN POLARİZASYONU. Bağ Polarizasyonu: Bağ elektronlarının bir atom tarafından daha fazla çekilmesi.

KİMYASAL BAĞLAR İYONİK BAĞ KOVALANT BAĞ POLAR KOVALENT BAĞ APOLAR KOVALENT BAĞ

Bolum 14 Aromatik Bileşikler. Benzenin Keşfi. Kekulé Yapısı

ATOM NEDİR? -Atom elementin özelliğini taşıyan en küçük parçasına denir. Her canlı-cansız madde atomdan oluşmuştur.

ATOM BİLGİSİ Atom Modelleri

1. ÜNİTE: MODERN ATOM TEORİSİ İyon Yükleri ve Yükseltgenme Basamakları

Bu durumu, konum bazında bileşenlerini, yani dalga fonksiyonunu, vererek tanımlıyoruz : ) 1. (ikx x2. (d)

POLİMER KİMYASI -2. Prof. Dr. Saadet K. Pabuccuoğlu

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

BÖLÜM 2 ATOMİK YAPI İÇERİK. Atom yapısı. Bağ tipleri. Chapter 2-1

Nötr (yüksüz) bir için, çekirdekte kaç proton varsa çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde de o kadar elektron dolaşır.

Aşağıda verilen özet bilginin ayrıntısını, ders kitabı. olarak önerilen, Erdik ve Sarıkaya nın Temel. Üniversitesi Kimyası" Kitabı ndan okuyunuz.

I. FOTOELEKTRON SPEKTROSKOPĠSĠ (PES) PES orbital enerjilerini doğrudan tayin edebilir. (Fotoelektrik etkisine benzer!)

KİMYA-IV. Aromatik Hidrokarbonlar (Arenler) (5. Konu)

ATOMUN YAPISI ATOMUN ÖZELLİKLERİ

ALETLİ ANALİZ YÖNTEMLERİ

Müh. Fak. G. Kimya Vize Soru ve Cevapları A Mühendislik Fakültesi Genel Kimya (Kimya Metal. ve Malz.)) Ara Sınav Soruları

Serüveni 7.ÜNİTE Endüstride -CANLILARDA ENERJİ hidrokarbonlar

MALZEME BİLGİSİ DERS 4 DR. FATİH AY.

ELEKTRONLARIN DĠZĠLĠMĠ

MOLEKÜLLERİN ŞEKİLLERİ

GENEL KİMYA. Yrd.Doç.Dr. Tuba YETİM

Tepkimeler ve Mekanizmaları

Hareket halindeki elektrik yüklerinin oluşturduğu bir sistem düşünelim. Belirli bir bölgede net bir yük akışı olduğunda, akımın mevcut olduğu

KİMYA -ATOM MODELLERİ-

ORGANİK KİMYA. Prof.Dr. Özlen Güzel Akdemir. Farmasötik Kimya Anabilim Dalı

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

A. ATOMUN TEMEL TANECİKLERİ

Element atomlarının atom ve kütle numaraları element sembolleri üzerinde gösterilebilir. Element atom numarası sembolün sol alt köşesine yazılır.

KİMYA-IV. Yrd. Doç. Dr. Yakup Güneş

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

İKİ YADA DAHA FAZLA MADDENİN ÖZELLİKLERİNİ KAYBETMEDEN ÇEŞİTLİ ORANLARDA KARIŞMASI İLE OLUŞAN TOPLULUĞA KARIŞIM DENİR KARIŞIMLAR İKİ SINIFTA

İKİ YADA DAHA FAZLA MADDENİN ÖZELLİKLERİNİ KAYBETMEDEN ÇEŞİTLİ ORANLARDA KARIŞMASI İLE OLUŞAN TOPLULUĞA KARIŞIM DENİR KARIŞIMLAR İKİ SINIFTA İNCELENİR

KİMYA-IV. Alkinler (4. Konu)

Önerilen süre dakika (30 puan) 2. 8 dakika (12 puan) 3. 8 dakika (20 puan) dakika (27 puan) 5. 8 dakika (11 puan) Toplam (100 puan) Ġsim

Geçiş olasılığımız (pertürbasyon teorisinde birinci mertebeden) c 1

BÖLÜM 35 TİTREŞİM SPEKTROSKOPİSİ

Lewis Nokta Yapıları ve VSEPR

HİDROKARBONLAR ve ALKİNLER. Kimya Ders Notu

GENEL KİMYA. Yrd.Doç.Dr. Tuba YETİM

Ayrık Fourier Dönüşümü

İÇERİK. Lewis Kuramı. Kovalent Bağlar. Polar Kovalent Bağlar. Lewis Yapılarının Yazımı. Oktet Kuralının Istisnaları.

Magnetic Materials. 7. Ders: Ferromanyetizma. Numan Akdoğan.

MALZEME BİLGİSİ DERS 6 DR. FATİH AY.

Elektronların Dağılımı ve Kimyasal Özellikleri

BİYOLOJİK MOLEKÜLLERDEKİ

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

Bir özvektörün sıfırdan farklı herhangi bri sabitle çarpımı yine bir özvektördür.

Potansiyel Engeli: Tünelleme

KİMYASAL BAĞLAR Kimyasal bağlar, Moleküllerde atomları birarada tutan

Matris Cebiriyle Çoklu Regresyon Modeli

BÖLÜM 36 NÜKLEER MANYETİK REZONANS

KARBON KİMYASINA

L28- KRİSTAL ALAN TEORİSİ

BÖLÜM MODERN ELEKTRONİK YAPI TEORİSİ

Tek Boyutlu Potansiyeller: Potansiyel eşiği

Cebir 1. MIT Açık Ders Malzemeleri

Bölüm 7 Alkenlerin Yapısı ve Sentezi

3. TAHMİN En Küçük Kareler (EKK) Yöntemi 1

DENEY SİMETRİ VE NOKTA GRUPLARI. 1. Giriş

PROBLEM 1.1 a ) Örnek Çözüm b ) 9 F; 1s 2 2s 2 2p 5 (Değerlik elektronları: 2s 2 2p 5 ) c ) 16 S; 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 (Değerlik elektronları: 3s

T I M U R K A R A Ç AY - H AY D A R E Ş C A L C U L U S S E Ç K I N YAY I N C I L I K A N K A R A

DİELS-ALDER REAKSİYONU

Zamandan bağımsız pertürbasyon teorisi tartışmamızda bu noktaya kadar, sonuçlarımızın

MIT OpenCourseWare Ekonomide İstatistiksel Yöntemlere Giriş Bahar 2009

Serüveni 3. ÜNİTE KİMYASAL TÜRLER ARASI ETKİLEŞİM GÜÇLÜ ETKİLEŞİM. o İYONİK BAĞ o KOVALENT BAĞ o METALİK BAĞ

ANADOLU ÜNİVERSİTESİ ECZACILIK FAKÜLTESİ FARMASÖTİK KİMYA ANABİLİMDALI GENEL KİMYA II DERS NOTLARI (ORGANİK KİMYAYA GİRİŞ)

Transkript:

BÖLÜM 31 HÜCKEL MOLEKÜLER ORBİTAL TEORİ Genel olarak, poliatomik moleküllerin büyük çoğunluğunun, atom çiftleri arasında kurulan iki elektronlu bağların bir araya gelmesiyle oluştuğu düşünülür. CO gibi bir diatomik molekül için geliştirilen σ ve π, bağ ve antibağ orbitallerinin nitel anlamı, örneğin, asetondaki C=O bağını tanımlamada nitel bir başlangıç noktası oluşturma anlamını taşıyabilir. Bu nitel anlamın çok yararlı olduğu bir durum, konjuge sistemlerdir. Bir başka deyişle, örneğin, 1,3,5-hekzatiren benzeri bir Lewis yapısında çift/tek bağların yerinin belirli bir sırayla değiştiği moleküllerde kullanışlıdır: Bundan önceki derslerde görmüş olabilirsiniz belki, bu molekül için aşağıdaki gibi başka bir rezonans yapı çizmek te mümkündür: Bu şekilde, molekülün bağ derecelerinin 2/1/2/1... şeklinde değil de 1 ½ gibi olduğunu düşünmek daha doğrudur. Bu davranış, MO teori de, doğru olarak tahmin edilir ve bu tahmin, MO teorinin kimyadaki tanımlayıcı bir özellik olarak ortaya koyduğu büyük başarılarından biridir. Bu derste, konjuge sistemleri tanımlayan MO yaklaşımın basit bir şekilde nasıl kullanılacağını göreceğiz. Konjuge moleküller, düzlemsel olmaya yatkındır, dolayısıyla bütün atomları x-y düzlemine yerleştirebiliriz. Böylece molekül, z eksenine göre bir yansıma simetrisine sahiptir: 1

Diatomik moleküllerde, x ve y eksenine göre yansıma simetrisi vardı ve bu durum, yansımaya bağlı olarak tekli πx ve πy orbitalleri ile çift σ orbitallerine yol açmıştı. Aynı şekilde, düzlemsel konjuge sistemlerde orbitaller, yansımaya göre çift olabilen σ orbitallerine ve z eksenindeki yansımaya göre tek olan πz orbitallerine ayrılır. Bu πz orbitalleri, her karbon atomundaki pz orbitallerinin doğrusal kombinasyonuyla oluşur: Bu bileşiklerin kimyasını anlamaya çalışırken ortaya, πz orbitallerine yoğunlaşıp σ orbitallerini ihmal ettiğimiz anlamı çıkar. πz orbitallerinin, daha kuvvetli bağ yapmış σ orbitalleriyle birlikte en yüksek dolu orbitaller olduğu sonucu çıkar. Böylece, rezonans yapılarıyla gösterdiğimiz gibi, bağ oluşumu ve kırılması, π bağı söz konusu ise, σ orbitallerinden daha kolay olacaktır. Sonuç olarak temelde, konjuge sistemlerin nitel MO teorisinde σ orbitallerinin varlığını göz ardı edip sadece π orbitalleriyle ilgileniyoruz. Bu yaklaşım, MO teoriye göre standard 5 adımda verilen Hückel teorisinin temel yaklaşımıdır: 1) Atomik orbitallere bir temel tanımlama. Sadece πz orbitalleriyle ilgilendiğimizden MO leri, pz orbitallerinin doğrusal kombinasyonu şeklinde yazabiliriz. N tane karbon atomu olduğunu farz edersek her biri, pz orbitaline katkıda bulunur ve µ. MO i aşağıdaki gibi yazarız: 2

N π μ = c i μ p z i i=1 2) Uygun matris gösterimlerinin hesaplanması. Hückel bu adımda, nitel cevabı değiştirmeden matematiği basitleştirmek için bazı radikal yaklaşımlar yapmıştır. Farklı karbon atomları üzerinde pz orbitalleri arasındaki integralleri içeren H ve S matrislerini hesaplamalıyız: H ij = p i z H p j z dτ S ij = p i z p j z dτ Yapılacak ilk yaklaşım pz orbitallerinin ortonormal olduğudur. Bunun anlamı: S ij = 1 i = j 0 i j dir. Eşdeğer olarak bunun anlamı, S nin genelleştirilmiş özdeğer problemini normal bir özdeğer problemine indirgeyen bir matris tanımlamasıdır: H c α = E α S c μ H c μ = E μ c μ Yapacağımız ikinci yaklaşım, bir Hamiltonyen kendisinin en yakınında olmayan i, j atomlarını içeriyorsa, silinir. Bu durum, pz orbitalleri birbirinden uzak mesafede olduklarında çok az bir uzaysal örtüşme olacağından bu, integrantın her yerde sıfır olacağı anlamını taşır. Diyagonal terimler, bir karbon atomunun pz orbitalinde bir elektronun ortalama enerjisini içerdiğinden diyagonal terimlerin (i = j) hepsi aynı olmalıdır. i H ii = p z H p i z dτ α Sadece bir karbondaki elektron enerjisini tanımladığından α, çoğunlukla yerinde enerji olarak tanımlanır. Ayrıca, iki en yakın komşu atomda matris elemanlarının sabit olduğu kabul edilir: i H ij = p z H p j z dτ β i, j komşuları Bu son yaklaşım, bir molekülün her yerinde C-C bağ uzunluğu hemen hemen aynı olduğu sürece, iyidir. Önemli bir bağ uzunluğu değişimi varsa (örneğin; tek/çift/tek...) bu yaklaşım, β nın, C-C bağ mesafesine bağlı olmasını sağlayacak şekilde hafifletilebilir. Göreceğimiz gibi, β, çoklu rezonans yapılarından kaynaklanan elektron delokalizasyonu 3

tanımlamayı sağlar ve rezonans integrali olarak adlandırılır. Burada α, β parametrelerinin doğru değerleri konusunda bir fikir ayrılığı olmakla beraber, α = -11.2 ev ve β = -0.7 ev kabul etmek iyi bir fikirdir. 3) Genelleştirilmiş özdeğer problemini çözme. Bu aşama için, daima bir bilgisayara ihtiyacımız vardır. Ancak, matrisler çok basit olduğundan özdeğerleri ve özvektörleri kolaylıkla bulabiliriz. 4) Orbitallerin bir çubuk diyagrama göre doldurulması. Bu aşamada, Npz orbitallerinden Nπ orbitallerini elde ettiğimizi belirtelim. Ayrıca, hesaba katmamız gereken toplam N elektron için her karbon atomundan bir serbest değerlik elektronu geldiğini düşünelim (molekülün nötr olduğunu kabul edelim). Spinler dikkate alındığında N/2 dolu moleküler orbital ve N/2 boş moleküler orbital olacaktır. Temel düzeyde, elbette en düşük enerjili orbitalleri kullanıyoruz. 5) Enerjinin hesaplanması. MO teoriye çok benzer bir yaklaşım olan Hückel, etkileşmeyen elektron enerjisi ifadesini kullanır: N E top = E i Burada Ei, üçüncü adımda tanımlanan MO özdeğerleridir. Hückel teorisini pratikte nasıl uyguladığımızı göstermek için, örnek olarak benzenin enerjilerini hesaplayalım: i=1 1) Her MO, 6 tane pz orbitalinin doğrusal kombinasyonudur. 4

2) Hamiltonyenle hesap yapmak oldukça kolaydır. Bu bir, 6 6 matrisidir. İlk kural, her diyagonal elemanın, α olduğunu gösterir. Sadece sıfırdan farklı diğer terimler, aralarında komşu olacaktır: 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6 ve 6-1. Bütün bu elemanlar, β ya eşittir. Kalan diğer bütün elemanlar, yakın olmayan komşuları içerir ve sıfırdır: 3) H nin özdeğerlerini bulmak, bilgisayarla çok kolaydır. 4 farklı enerji buluruz: 5

En düşük ve en yüksek enerjiler, dejenere değildir. İkinci/üçüncü ve dördüncü/beşinci enerjiler birbiriyle dejeneredir. Az bir çabayla özvektörleri bulabiliriz. Bunlar: Özvektörlerin altındaki şekillerde, MO de özel pz orbitalinin ağırlığına karşılık gelecek büyüklükte çizilen dairelerle, pozitif (negatif) loblar olarak tasarımlanmış moleküler orbitalleri göstermektedir. Sonuç faz deseni, düğümü olmayan temel düzeyde gördüğümüz gibi, bir halka üzerindeki parçacığı anımsatır. Birinci ve ikinci uyarılmış düzeyler dejeneredir (sinüs ve kosinüs) ve bir düğüme sahiptir, üçüncü ve dördüncü uyarılmış düzeyler, iki düğümlü dejenere hâllerdir. Bir farklılıkla, benzendeki beşinci uyarılmış düzey, üç düğüme sahip tek düzey olup dejenere değildir. 4) Benzende 6 tane π elektronu vardır, dolayısıyla ilk üç MO i doldururuz: 5) Benzenin Hückel enerjisi aşağıdaki gibi verilir: E = 2E 1 + 2E 2 + 2E 3 = 6α + 8β 6

İlginç bir durumla karşı karşıyayız. Bu, benzendeki bağlar konusunda bize ne söyler? Öncelikle, benzenin, üçlü bağ içeren herhangi bir sistemden daha kararlı olduğunu söyleyelim. Etilen için Hückel teorisini uygularsak, enerjisi E C=C = 2α + 2β olan tek bir etilen çift bağı elde ederiz. Sonuç olarak, benzen basitçe 3 tane çift bağa sahip olsaydı toplam enerjsinin, 2β kadar eksik, E = 3E C=C = 6α + 6β olacağını tahmin ederdik. β nın negatif olduğunu tekrar hatırlatalım, sonuçta, benzendeki π elektronları, üç tane çift bağın toplamından daha kararlıdır. Bu duruma, aromatik kararlılık diyoruz ve Hückel teorisi, 4N + 2 elektronu bulunan diğer halkasal konjuge sistemlerde de benzer kararlılığı verir. Bu enerjik kararlılık, kısmen, benzenin neden diğer doymamış hidrokarbonlar kadar reaktif olmadığını açıklar. İncelememizde bir adım daha ileriye gidip bağ derecesine bakalım. Hückel teorisinde bağ derecesi O ij dolu c μ μ μ i c j şeklinde ifade edilir. Bu tanımın verdiği fikir: µ moleküler orbitali, i. ve j. karbonlar arasında bir bağa sahipse o karbonlardaki MO katsayıları aynı işaretli olmak zorundadır (örneğin; p i z + p j z ). i ve j arasındaki orbital, antibağ orbitaliyse katsayılar ters işaretli olmak zorundadır (örneğin; p i z p j z ). Toplanan rakamlardan her biri bu durumu yansıtır, çünkü c μ i c μ j > 0 c μ i, c μ j aynı işaretliyse c μ i c μ j < 0 c μ i,c μ j ters işaretliyse Bu formül, bağ orbitalleri için pozitif ve antibağ orbitalleri için negatif katkıyı gösterir. Dolu orbitallerin toplamı, toplam bağ derecesini bulmak için, özellikle karbonların ij çiftlerinde bütün dolu MO lerinden sağlanan bağ ve antibağ katkılarının toplamıdır. Bu toplamda, iki kat dolmuş orbital iki kez görünür. Bu formülü, benzendeki 1-2 bağına uyguladığımızda aşağıdaki ifadeyi elde ederiz: 7

Böylece, C1 ve C2 karbonlarının, π bağının 2/3 ünü paylaştıkları görünür [σ orbitallerini ihmal ettiğimizi, toplam bağ derecesinin, σ bağları dahil 1 2/3. olacağını hatırlayalım]. Benzendeki her C-C bağına aynı işlemi uyguladığımızda aynı sonuca ulaşırız: 6 tane eşdeğer π bağı vardır, her birinin bağ derecesi 2/3 tür. Bu sonuç bize, lise kimyasında bütün öğrendiğimiz bilgilerle, Lewis yapılarını büyük bir güvenle çizmemizi sağlar: Her C-C π bağı için bağ derecesinin 2/3 yerine 1/2 olması beklenen bir durumdur. Karbon başına bir bağa, 1/6 lık fazla katkı, aromatik kararlılıktan gelmektedir: Molekül, izole üç π bağından 2β kadar daha kararlı olduğundan bu, altı karbon arasında eşit dağıtılan, sisteme yeni bir π bağının katılması demektir ki sonuçta bağ derecesi artar. Bu etki, deneysel olarak ta doğrulanabilir: Benzen, aromatik olmayan konjuge sistemlerdekinden biraz daha kısa C-C bağlarına sahip olduğundan karbonlar arasındaki bağ derecesinin daha yüksek olduğunu gösterir. MO teoriyi, sadece rezonans yapıları ve aromatik kararlılığı tanımlamak için kullanabiliriz. Ayrıca, geçiş metal bileşiklerinde kristal alan ve ligand alan hâllerini ve yönlenme ile oluşan sp, sp 2 ve sp 3 hibrit orbitallerini açıklamak için de kullanabiliriz. Bu sonuçlar, MO teorinin sadece yararlı bir teori olduğu anlamına gelmez, aynı zamanda pratikte bu buluşlar, kimyacıların, moleküller hakkında düşünme yönteminin de bir parçası olacaktır. 8