Genel Kimya Bölüm 6: Kimyasal Bağlar Temel Kavramlar- Bağ Kuramları Yrd. Doç. Dr. Mustafa SERTÇELİK Kafkas Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü
KĠMYASAL BAĞLAR ĠYONĠK BAĞ KOVALENT BAĞ MOLKÜLLERĠN POLARLIĞI MOLEKÜL GEOMETRĠLERĠ HĠBRĠTLEġME KURAMI ĠLE MOLEKÜL GEOMETRĠLERĠ REZONANS METALĠK BAĞ AĞ ÖRGÜSÜ ĠYONĠK BĠLEġĠKLER MOLEKÜL YAPILI BĠLEġĠKLER
KĠMYASAL BAĞ ÇEġĠTLERĠ ĠYONĠK BAĞ: Ġyonik bağ, metal atomları ile ametal atomları arasında Elektron Transferi ile oluģan kimyasal bağdır. Metallerin iyonlaģma enerjisinin düģük, ametallerin (soy gazlar hariç) elektron ilgileri yüksektir. Bu iki grup arasındaki bileģiklerin büyük çoğunluğunda, metalden ametale elektron aktarımına dayanan iyonik bağ görülür. Iyonik bağ modelinde, metal atomunun elektron vererek pozitif; ametal atomunun da verilen elektronları alarak negatif iyonlara dönüģür. 1A ve 2A grubu metallerinin ametallerle yaptığı iyonik bileģiklerde iyonlar oktet ve dublet kuralına uyarlar. Örneğin; Sezyum (Cs) ve klor (CI) dan CsCI oluģumu: Cs, iyonlaģma enerjisi çok düģük olan bir alkali metaldir. Klor da elektron ilgisi ve elektronegatifliği yüksek olan bir halojendir
KOVALENT BAĞLAR Kovalent bağ, ametal-ametal ve yarı metal- ametal atomları arasında gerçekleģir ve elektron ortaklığına dayanır. Kimyasal bağ oluģumuna atomların tüm elektronları değil, yalnızca değeriik elektronları katılır. Yarı dolu değerlik orbitalleri, tam dolu olacak Ģekilde bağ yapmaya çalıģır. Bir kovalent bağ, zıt spinli iki elektrondan oluģur. Zıt spin, atomun molekül içinde daha düģük enerjili (daha kararlı) olmasını sağlar. Her bağ, enerji açığa çıkararak oluģur. Aynı cins atomlardan oluģan moleküller element moleküllerdir. Böylesi moleküllerde çekirdekleri bağlayan elektron bulutu, çekirdekler çevresinde simetrik biçimde dağılmıģtır. Aynı çekirdeksel yapıları bağlayan bağ, "apolar kovalent bağ" denir H. N. CI. P. S gibi elementel moleküllerde atomları apolar kovalent bağ ile bağlamaktadır.
Farklı cins atomların bağlanmasında iki çekirdek arasındaki yük dağılımı. simetrik değildir. Elektron çifti iki çekirdekten birine daha yakındır. Yani elektron çiftleri, iki çekirdek arasında ortaklaģılmaktadır; bağlayıcıdır; ama bir atomdan diğerine transfer edilmemiģtir. Böylesi kutuplanmıģ kovalent bağlara "polar kovalent bağ" denir. Böyle bir bağ, kovalentlik ile iyoniklik arasında bir bağdır Polar bağların pozitif ve negatif yük merkezleri (+) ve (- )' ye yönlenmiģ bir vektörle belirtilir. Molekül, bir bütün olarak elektrikçe nötraldir; ama molekülde elektrik yükü dağılımı asimetriktir. NOT: Ġki atom arasındaki elektronegatiflik farkı büyüdükçe bağın polarlığı (dipolmomenti de büyür. Elektronegatiflik farkı 1.7 den büyük olan atomlar arasındaki kovalent bağların çoğu, iyonik nitelik taģır (HF, bu genellemenin dıģındadır.)
MOLEKÜLLERĠN POLARLIĞI Ġki atomlu bir moleküllerde molekül aynı cins iki atomdan oluģmuģsa apolar bir moleküldür. Molekül farklı iki atom içeriyorsa hem molekül içi bağ polardır; hem de molekül dıģa karģı polardır (dipol momenti vardır); elektriksel alanda yönlenir Ġkiden çok atom içeren moleküllerde bileģik moleküllerindeki her kovalent bağ, elektronegatifliği düģük olandan yüksek olana doğru yönlenmiģ vektörel bir büyüklük gibi düģünülebilir. Bu vektörlerin bileģikleri sıfırsa, yani moleküldeki vektörler simetrikse molekül apolardır
MOLEKÜL GEOMETRĠLERĠ Molekül geometrileri, değerlik elektron çiftlerinin itmelerine dayanan bir modelle tasarlanabilir. Bu modele göre, her molekülün bir merkez atomu (molekülde en çok bağ yapabilen atom) vardır, diğer atomlar bu merkeze birli, ikili ya da üçlü bir kovalent bağla bağlanmıģtır. Molekül geometrisini, sigma bağları (iki atom arasında oluģan ilk kimyasal bağdır) ile serbest elektron çiftlerinin sayısı belirler. Pi bağları (iki atom arsında oluģan ikinci ve üçüncü kimyasal bağlar) geometride etkili değildir. Merkez atomu çevresindeki elektron çiftleri, birbirlerinden olabildiğince uzak duracak açılara, yani elektron çiftleri arasındaki itmeleri en aza indirebilecek açılara yerleģir. Bu düģüncenin ıģığında bir molekülün geometrisi öngörülebilir.
Merkez atomu çevresinde iki tip değerlik elektron çifti olabilir: kovalent bağ yapmıģ elektron çiftleri, bağ yapmamıģ elektron çiftleri (serbest elektron çifti). Merkez atomu çevresinde tüm değerlik elektron çiftleri bağ yapmıģ ise; geometrik Ģekiller aģağıdaki gibidir.
Merkez atomu çevresinde bir elektron çifti bağ yapmamıģ ise, molekülün geometrisi üçgen piramit, iki elektron çifti bağ yapmamıģ ise, molekülün geometrisi kırık çizgi Ģeklindedir Bağ yapmamıģ elektron çiftleri, bağ yapmıģlara göre daha "oynak"tır. Nitekim serbest elektron çiftleri arasındaki itme, bağ yapmıģlara göre daha fazladır. Bu nedenle H₂O molekülündeki H- O-H açısı 109.5 den daha düģük 104.5 dir. Sonuç olarak HOH, kırık çizgi Ģeklindedir.
HĠBRĠTLEġME KURAMI ĠLE MOLEKÜL GEOMETRĠLERĠ: HibritleĢme ; merkez atomdaki değerlik orbitallerinin kaynaģarak eģdeğer orbitaller oluģturmasıdır. Örneğin; CH₄ molekülünün oluģumu: Merkezi atom olan karbon atomu için; Temel durum: 1s² 2s² 2p² UyarılmıĢ durum: 1s² 2s¹ 2p³ Ģeklindedir. (Hidrojen atomları, karbon atomunun 2s ve 2p orbitallerine bağlanmıģ ise C - H bağları özdeģ uzunlukta ve özdeģ bağ enerjisinde değildir. Çünkü 2s ve 2p orbitallerinin enerjileri yakın; ama aynı değildir. Yine bu durumda moleküldeki hidrojen atomları arasında 90 lik açılar olmalıdır; çünkü 2p orbitalleri (2px' 2py. 2pz) birbirine diktir. Deneysel gerçekler, bu varsayımlarla uyuģmamaktadır.) Deneyler, CH₄ molekülünde 4 (C - H) bağının aynı uzunlukta, 2s ile 2p nin enerjisi arasında aynı bağ enerjisinde olduğunu, molekülde tek bir tipik açı (109.5 ) bulunduğunu göstermektedir.
Bu durum ancak hibritleģme kuramı ile açıklanabilmektedir. Bu kurama göre; 1. Hibrit bağları, sigma bağı niteliğindeki kovalent bağlardır. 2. Her molekül, genel olarak, bir merkez atomuna baģka atomların bağlandığı kararlı bir kümedir. Moleküllerin oluģumu ve biçimi, atomlardaki değerlik orbitallerinin kaynaģarak hibrit orbitalleri oluģturmalarıyla açıklanır. 3. Merkezi atomunda kaç değerlik orbitali kaynaģıyorsa aynı sayıda hibrit orbitali oluģur. 4. s ve p orbitalleri arasında üç farklı hibritleģme olabilir: sp, sp², sp³. HibritleĢmeye d orbitalleri de katılabilir. Bunların en önemlileri sp³d ve sp³d² hibritleridir.
Bu kuramlara göre CH₄ molekülünde merkezi atom karbondur ve molekülde hidrojenlerin bağlandığı, birbirine eģdeğer 4 bağ bulunmaktadır. KaynaĢmayı sağlayan merkezi atomun bir tane s üç tane p orbitalidir. Hibrit orbitalleri kaynaģmaya katılan orbitallerin cins ve sayıları ile belirtilir. Buna göre CH₄ molekülü 4 adet sp³ hibriti oluģturmuģtur. Bu dört eģdeğer hibrit orbitalinin herbiri bir düzgün dörtyüzlünün (tetraedral) köģelerine doğru yönlenmiģtir. Hibrit orbitallerine de hidrojen atomları bağlanarak metan oluģur. Bu nedenle metan molekülünde bağ orbitallerinin, karbondaki sp³ hibrit atomik orbitalleri ile hidrojen atomlarının 1s orbitallerinden oluģtuğu söylenebilir. Metan Molekülü
Ġki çekirdeği doğrudan doğruya bağlayan temel bağa sigma bağı denir. CH₄ de C - H bağları, aynı zamanda sigma bağlarıdır. Buna göre CH₄ de 4 adet sigma bağı vardır. sp³ hibritleģmesi; H₂0 ve NH₃ bileģiklerindeki bağ açılarını da açıklar. Bu moleküllerde bağ açıları, düzgün dörtyüzlü açısına (109 ) oldukça yakındır (suda 104.5 ; amonyakta 107 ). Öyleyse suda oksijen, amonyakta da azotun sp³ hibritleri oluģturur. (Eğer iki hidrojenin 1s elektronları oksijenin 2p orbitallerine bağlanmıģ olsaydı; p orbitallerinin birbirine dik olmaları nedeniyle sudaki bağ açısı 90 olurdu. Ama bu açı dik değil 104.5 dir.)
H₂0 daki oksijen atomunun 2s ve 2p değerlik orbitallerinden oksijen atomu etrafında dört sp³ hibrit orbitali oluģturulur. Bunlardan iki tanesi doludur; (bunlar bağ yapmaya katılmayanlardır); diğer ikisi yarı doludur ve bunlara birer hidrojen atomu bağlanır. Bu durumda dört sp³ hibrit orbitalinden 2'si eģdeğerdir. sp³ hibritlerinin dördü eģdeğer olmadığı için H₂0 deki açı düzgün dörtyüzlünün karakteristik açısından biraz sapar. Burada bağ yapmayan iki çift elektronun, bağ elektronları üzerinde itici etkisi bağ açısını küçültür.
NH₃ molekülünde de durum aynıdır. Ancak NH₃ molekülünde azot atomunun 2s ve 2p değerlik orbitallerinden oluģan dört sp³ hibrit orbitallerinden bir tanesi doludur (bağ yapımına katılmaz), diğer üçü yarı doludur ve bunlara birer hidrojen atomu bağlanır. Bu durumda dört sp³ hibrit orbitalinden 3'ü eģdeğerdir. sp³ hibritlerinin dördü eģdeğer olmadığı için NH₃ deki açı düzgün dörtyüzlünün karakteristik açısından biraz sapar. Burada bağ yapmayan bir çift elektronun, bağ elektronları üzerinde itici etkisi H₂0 molekülüne göre daha az olur. Bu sebeple su molekülünde bağ açısı 104.5 ; amonyakta ise 107 dir ve düzgün dörtyüzlünün bağ açısından (109 ) daha küçüktür. sp² hibritleģmesinde, merkez atomu çevresinde özdeģ nitelikte üç hibrit orbitali (üç sp²) oluģur. Merkez atomu çevresindeki üç elektron çiftini en uzağa savuran açı 120 dir. sp hibritleģmesinde, merkez atomu çevresinde özdeģ nitelikte iki hibrit orbitali (iki sp) oluģur; bunların herbiri de zıt spinli iki elektron çiftini en uzağa savuran açı 180 dir.
HibritleĢme ve hibrit orbitalleri (animasyon) Merkez atomunun hibrit tipi ve hibritin geometrisi: (Merkez Atomu (A) Üzerinde Serbest Elektron Çift Bulunan Moleküllerin ġekli ve Hibriti)
Lewis Yapılarının Yazılması Ġskelet yapı molekülde atomların birbirlerine nasıl bağlandıklarını gösterir. Genelde 1 merkez atom ve ona bağlanan çevre atomlar vardır. Merkez atomgenelde en düşük elelktronegativiteye sahip olan diğer atomların kendisi ile bağ yaptıkları atomdur. Çevre atom diğer atomlara bağlanan atomdur. H genelde çevre atomdur
Lewis Yapılarının Yazılmasında İzlenecek Yol 1- Yapıda bulunan değerlik elektronlarının toplam sayısını belirleyiniz. Örnek: CH 3 CH 2 OH molekülünde herbir C atomunun 4 er, her bir H atomunun 1 ve her bir O atomunun 8 değerlik elektronu vardır. 8+6+6= 20 2. Merkez atomunu (yada atomlarını) ve uç atomları belirleyiniz. 3. Uygun bir iskelet yapı çiziniz. Tekli kovalent balarla bağlayınız. 4. İskelet yapısındaki her bir kovalent bağ için toplam elektron yapısından iki elektron çıkarınız. 5. Kalan değerlik elektronlarıyla önce uç atomların oktetlerini tamamlayınız. Sonra merkez atomların oktetlerini tamamlayınız. 6. Merkezi atomlardan biri yada daha fazlası eksik oktetli kalmışsa 5. adımdan sonra uç atomların ortaklanmamış elektron çiftlerini çoklu kovalent bağ oluştıracak şekilde merkezi atoma kaydırınız.
Örnek: HNO 3 Levis Yapısını gösteriniz. Ödev:C 2 N 2, SO 2, NF 3, OCF 2 Bileşiklerinin lewis yaplarını gösteriniz.