3. Merkez atomu orbitallerinin hibritleşmesi Bir atomun yapa bileceği kovalent bağ sayısı taşıdığı ya da az bir enerjiyle taşıyabileceği (hibritleşme) yarı dolu orbital sayısına eşittir. Farklı enerji düzeylerinde bulunan atom orbitallerinin etkileşerek aynı enerji düzeyine sahip özdeş orbitallere dönüşmesine hibritleşme, bu yeni orbitallere de hibrit orbitaller denir. CH 4 molekülünün yapısı Normal şartlarda C atomu 2 bağ yapması gerekirken metan molekülünde 4 bağ yaptığı görülür. Bu durum Sp 3 hibritleşme ile açıklanır. C 2 H 4 molekülünün yapısı Eten (etilen)in Lewis formülünde merkez atom C un 3 sigma bağı yaptığı ve hibritleşmeye katılmayan her iki karbondaki p orbitalleri karbon atomları arasındaki pi bağını oluşturur. Bu durum ancak Sp2 hibritleşmesiyle açıklanır. 7
C 2 H 2 molükülün yapısı Etin (asetilen) molekülünde Lewis formülünde merkez atom C un 2 sigma bağı yaptığı ve hibritleşmeye katılmayan her iki karbondaki p orbitalleri karbon atomları arasındaki 2 adet pi bağını oluşturur. Bu durum ancak Sp hibritleşmesiyle açıklanır. Değerlik katmanı elektron çiftleri itme kuramı (VSEPR) ve basit moleküllerin geometrileri Moleküllerin geometrilerini tahmin etmemizde Lewis kuramı tek başına yeterli olmaz. Değerlik elektronlarının birbirini itmeleri, bağ uzunlukları ve bağ açılarının da bilinmesi gerekir. Bağ açıları, üç veya daha fazla atomlu moleküller için geçerlidir. İki atomlu bir molekülün geometrisi daima doğrusaldır. Molekül geometrilerinin belirlenmesinde, Değerlik Kabuğu Elektron Çifti İtme Kuramı (VSEPR) ndan yararlanabiliriz. VSEPR, İngilizce Valence Shell Electron Pair Repulsion cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin büyük harf olarak yazılmasıyla elde edilen kısaltmadır. İlk defa İngiliz kimyacılar Nevil Sidgwick (Nevil Sidvik) ve Herbert Powell (Herbıt Povıl) tarafından öne sürülmüş ve Kanadalı kimyacı Ronald Gillespie (Ronılt Gilespi) tarafından geliştirilmiştir. Bu kurama göre molekül geometrisinin belirlenmesinde ortaklanmış ve ortaklanmamış elektron çiftleri dikkate alınır. Çünkü yüksek elektron yoğunluğuna sahip bölgelerdeki elektronlar birbirini iter. Bu nedenle molekülde bağ yapan elektronlar ile eşleşmemiş elektron çiftleri birbirinden olabildiğince uzakta yer alır. Böylece elektronların birbirini itmesi en az düzeye iner ve bu durumdaki atomların konumu molekülün geometrisini belirler. Örneğin, CH 4 da karbonun Sp 3 hibrit orbitalleri ile hidrojenin 1s orbitalleri örtüşerek dört kovalent bağ yapar. VSEPR kuramına göre, bağları yapan elektron çiftleri 8
birbirini iter ve hidrojen atomları birbirine en uzak konumda olacak şekilde düzgün dörtyüzlünün köşelerine yerleşir. CH 4 ın geometrisi düzgün dörtyüzlüdür ve bağ açısı 109,5 dir. NH 3 molekülünde Sp 3 hibritleşmesi yapmış azotun çevresinde bağ yapan üç tane ortaklanmış elektron çifti ve bir tane ortaklanmamış elektron çifti vardır. Ortaklanmamış elektron çifti bağ yapan elektron çiftlerini iterek Sp 3 hibritleşmesinde 109,5 olan açının küçülmesine neden olur. Bu durumda molekülün geometrik yapısı düzgün dörtyüzlü değil, üçgen piramit olur. Üçgen piramitin üst kısmında ortaklanmamış elektron çifti yer alır. Elektron çiftleri arasındaki açı 107,3 olur. H 2 O molekülünde de merkez atom olan oksijen çevresinde dört elektron çifti vardır. Bu elektron çiftlerinden ikisi ortaklanmamış elektron çifti, diğer ikisi de bağları yapan ortaklanmış elektron çiftleridir. Oksijenin iki adet Sp 3 hibrit orbitali ile hidrojen atomlarının Sp orbitallerinin örtüşmesiyle bağlar oluşmuştur. Moleküldeki iki adet ortaklanmamış elektron çifti bağ yapan elektron çiftlerini iterek Sp 3 hibritleşmesinde 109,5 olan açının küçülmesine neden olur. Bu durumda molekülün geometrik yapısı düzgün dörtyüzlü değil, açısal olur. Bağ yapan ortaklanmış elektron çiftleri arasındaki açı 104,5 olur. 9
BeH 2 molekülünde Be atomları merkez atomdur. Merkez atomun hibritleşme türü sp dir. Merkez atomda iki tane sp orbitali vardır. İki sp orbitalinden biri, bir hidrojenin s orbitali ile diğeri de ikinci hidrojenin s orbitali ile örtüşerek H - Be H bağını oluşturur. VSEPR kuramına göre, bağları yapan ortaklanmış elektron çiftleri, birbirini iter ve aynı doğrultuda birbirinden en uzak konuma yerleşir. Buna göre BeH2 molekülünün geometrisi doğrusal ve hidroyenler arasındaki bağ açısı 180 olur. VSEPR ve basit moleküllerin geometri örnekleri 10
Merkez atomun bağımsız orbitallerinden hibrit orbitallerin oluşma süreci C atomu 2 bağ yapması gerekirken metan bileşiğinde 4 bağ yaptığı görülür. Bu durum C atomunun hibritleşmesiyle açıklanır. CH 4 molekülünde merkez atomun yaptığı bağların bağ uzunlukları aynıdır. Bağ uzunluklarının aynı olması, bağları oluşturan değerlik orbitallerinin özdeş olduğunu gösterir. Karbonun orbitallerinden 2s ile 2p orbitalleri hibritleşerek sp3 hibrit orbitallerini oluşturur. Her bir Sp3 hibrit orbitali hidrojenin 1S orbitaliyle girişim yaparak kuvvetli kovalent bağlarını oluşturur. Her bir Sp3 hibrit orbitali birbirinden en uzak açıyla uzaya yönelirler bu da ancak 109,5 derecelik bir açıyla mümkündür. Böylece metanın düzgün dörtyüzlü geometrik yapısı ortaya çıkar. 11
Azotun orbitallerinden 2s ile 2p orbitalleri hibritleşerek sp 3 hibrit orbitallerini oluşturur. Her bir sp 3 hibrit orbitali hidrojenin 1s orbitaliyle girişim yaparak s-sp 3 kuvvetli kovalent bağlarını oluşturur. sp3 hibrit orbitalindeki ortaklanmamış elektron çifti, s-sp 3 ortaklanmış elektron çiftlerini iter. Düzgün dörtyüzlüde 109,5 olan bağlar arasındaki açı 107,3 olur. Molekülün şekli üçgen piramittir. H 2 O molekülünün yapısında oksijenin 2s ve 2p orbitalleri hibritleşerek sp 3 hibrit orbitallerini oluşturur. Her bir sp 3 hibrit orbitali hidrojenin 1s orbitaliyle girişim yaparak s-sp 3 kuvvetli kovalent bağlarını oluşturur. sp 3 hibrit orbitalindeki ortaklanmamış elektron çiftleri, s-sp 3 ortaklanmış elektron çiftlerini iter. Düzgün dörtyüzlüde 109,5 olan bağlar arasındaki açı 104,5 olur. Karbonun çoklu bağ yaptığı bileşiklerde bağ tiplerini hibrit orbitallerle ilişkisi 12
CH 2 O teki C un sp 2 hibrit orbitallerinden ikisi H atomlarının 1s orbitalleri ile uç uca örtüşerek σ bağlarını, geriye kalan sp 2 hibrit orbitali oksijenin 2p orbitali ile uç uca örtüşerek σ bağını oluşturur. C atomunun hibritleşmemiş 2p orbitali O in 2p orbitali ile eksen-parelel şeklinde örtüşerek π bağını yapar. Eten (C 2 H 4 ) molekülündeki karbon atomlarının merkez atom ve hibritleşme türünün sp 2 olduğunu biliyoruz. Merkez atomun s orbitali ile iki tane p orbitalinin örtüşmesi sonucu sp 2 hibrit orbitalleri oluşur. Karbon atomlarında kalan diğer 2p orbitalleri, hibritleşmeye katılmaz. Eten molekülü oluşurken karbon atomlarının sp 2 hibrit orbitalleri ile hidrojenlerin s orbitalleri uç uca örtüşerek sigma bağlarını oluşturur. Karbon atomlarının sp 2 hibrit orbitalleri de bir biriyle örtüşerek sigma bağını oluşturur. Karbon ve hidrojen atomlarının oluşturduğu düzlemin altında ve üstünde yüksek elektron yoğunluğuna sahip bir bölge vardır. Bu bölge iki paralel orbitalin eksenparalel şeklinde örtüşmesiyle oluşan π bağlarını gösterir. C 2 H 2 molekülünde merkez atomun karbon atomu sp hibritleşmesi yapar. sp hibrit orbitalleri merkez atomun s orbitali ile bir tane p orbitalinin örtüşmesi sonucu oluşur. Karbon atomlarında ikişer tane 2p orbitali kalır ve bunlar hibritleşmeye katılmaz. Şekilde görüldüğü gibi sp hibrit orbitalleri hidrojenin 1s orbitali ile örtüşerek iki tane (C H) σ bağı yapar. Hibritleşmeyen 2p orbitallerinin eksen-parelel çakışması sonucu da birbirine dik iki π bağı oluşur. 13
Moleküllerde merkez atomunun hibritleşme tipi ile molekül geometrisi arasında ilişki Hibritleşme tipi geometrik yapıyı belirleyici bir unsur gibi görünebilir. Fakat aynı hibritleşme tipine sahip CH 4, H 2 O, NH 3 gibi bazı moleküllerin geometrik şekilleri farklı olurken CH 2 O, C 2 H 4 gibi bazı moleküllerin geometrik şekilleri aynı olabilir. CH 4, H 2 O, NH 3 merkez atom hibritleşme tipleri aynıdır. Ancak geometrileri farklıdır. Formaldehidin ve etenin merkez atomunun hibritleşme tipi sp2, molekül geometrileri de düzlem üçgendir. 14