Molekül şekilleri (VSEPR), polarlık ve dipol momenti, hibritleşme

Lewis yapısı molekülün bağlantılarını gösterir ama düz bir kağıtta. Gerçek moleküller üç boyutludur ve şekilleri her şeyi belirler: polarlık, kaynama noktası, çözünürlük, biyolojik etki. Bu hafta Lewis yapısından üç boyutlu şekle geçmenin yöntemini (VSEPR), şekilden polarlığa geçmeyi ve şekli orbitallerle açıklayan modeli (hibritleşme) öğreneceksin.

Altın kurallar:

1. Önce Lewis yapısı, sonra bölge say. Bölge sayısı her şeyi belirler.
2. Çift ve üçlü bağ tek bölgedir.
3. Şekil adını sadece atomlar verir. Ortaklanmamış çiftler şekli büker ama adlandırmada görünmez.
4. Hibrit orbital sayısı = bölge sayısı.

VSEPR teorisi

Değerlik kabuğu elektron çifti itme teorisi (valence-shell electron-pair repulsion, VSEPR): merkez atom çevresindeki elektron bölgeleri birbirini iter ve birbirinden mümkün olduğunca uzak yerleşir. Elektron bölgesi (electron group) şunlardan biridir:

• bir tekli bağ,
• bir çift ya da üçlü bağ (tek bölge sayılır),
• bir ortaklanmamış çift,
• (nadiren) tek bir eşleşmemiş elektron.

Bölge sayısını hızlı bulmak için: önce toplam değerlik elektronunu say, uç atomların oktetlerini (H için 2) çıkar, kalanı ikiye böl. Bu merkezdeki ortaklanmamış çift sayısıdır ($E$). Bağlı atom sayısı $X$ ile birlikte $X + E$ bölge sayısını verir. Bu kısayol, uç atomların tümü okteti sağladığı sürece çalışır.

Elektron geometrisi ve molekül şekli

İki kavramı ayır:

• Elektron geometrisi (electron-group geometry): bütün bölgelerin (bağlar ve çiftler) düzeni.
• Molekül şekli (molecular geometry): sadece atomların düzeni.

Ortaklanmamış çift yoksa ikisi aynıdır.

Açılar neden daralır?

Ortaklanmamış çift sadece bir çekirdeğe bağlıdır, bu yüzden merkez atom çevresinde daha geniş yer kaplar. İtme sırası:

$\text{ort. çift–ort. çift} > \text{ort. çift–bağ çifti} > \text{bağ çifti–bağ çifti}$

Bu yüzden 109.5° → $\mathrm{NH_3}$‘te 107° → $\mathrm{H_2O}$‘da 104.5°. Çoklu bağlar da tekli bağdan fazla yer kaplar; $\mathrm{H_2CO}$‘da H–C–H açısı 120°‘den biraz küçüktür.

Beş bölgede ortaklanmamış çift nereye gider?

Üçgen çift piramitte iki tür konum vardır: eksenel (axial, 3 komşu 90°‘de) ve ekvatoral (equatorial, 2 komşu 90°‘de). Ortaklanmamış çiftler 90° itmelerini azaltmak için ekvatoral konumu seçer. Sonuç: AX₄E tahterevalli, AX₃E₂ T şekli, AX₂E₃ doğrusal.

Altı bölgede ise ikinci ortaklanmamış çift birincinin tam karşısına geçer: AX₄E₂ kare düzlem olur.

Örnek 1: $\mathrm{ClF_3}$.

toplam e−: 7 + 3(7) = 28
uç atom oktetleri: 3 × 8 = 24  → Cl'de 4 e− = 2 ortaklanmamış çift
X = 3, E = 2 → 5 bölge, AX3E2
elektron geometrisi: üçgen çift piramit;  iki çift ekvatoral
molekül şekli: T şekli, F–Cl–F açıları ~87.5° (90°'den biraz küçük)

Örnek 2: $\mathrm{ClO_3^-}$.

toplam e−: 7 + 3(6) + 1 = 26
uç atom oktetleri: 24 → Cl'de 1 çift
AX3E → üçgen piramit (NH3 gibi)

TUZAK · çoklu bağı iki bölge saymak. $\mathrm{CO_2}$‘de C’nin dört bağ çifti var ama sadece iki bölgesi var. 4 bölge sanırsan tetrahedral bulursun; doğrusu doğrusal.

Polarlık ve dipol momenti

Bir bağda elektronlar eşit paylaşılmıyorsa bağ dipolü (bond dipole) oluşur. Büyüklüğü dipol momenti (dipole moment) ile ölçülür:

$\mu = Q \cdot r$

$Q$ ayrılan yük, $r$ yükler arası uzaklık. Birim debye: $1\ \text{D} = 3.336\times10^{-30}$ C·m.

Bağ dipolleri vektördür. Molekülün net dipolü, bağ dipollerinin vektörel toplamıdır. Bu yüzden:

• Polar bağ + simetrik şekil + aynı uç atomlar → apolar molekül. $\mathrm{CO_2}$: iki C=O dipolü zıt yönde, toplam 0. $\mathrm{BF_3}$, $\mathrm{CCl_4}$, $\mathrm{SF_6}$, $\mathrm{XeF_4}$ da apolar.
• Polar bağ + asimetrik şekil → polar molekül. $\mathrm{H_2O}$ (açısal), $\mathrm{NH_3}$ (piramit), $\mathrm{SO_2}$ (açısal).
• Simetrik şekil ama farklı uç atomlar → genelde polar: $\mathrm{CH_2Cl_2}$, $\mathrm{CHCl_3}$.

Hızlı kontrol: merkezde ortaklanmamış çift varsa (AX₄E₂ ve AX₂E₃ gibi tam simetrik istisnalar hariç) molekül neredeyse her zaman polardır.

Yüzde iyonik karakter

Bağ tamamen iyonik olsaydı yük $e$ olurdu ve $\mu_{\text{iyonik}} = e \cdot r$. Ölçülen dipol momentinin bu değere oranı bağın iyonik karakterini verir.

Örnek 3. HF için $r = 92$ pm, ölçülen $\mu = 1.82$ D.

$\mu_{\text{iyonik}} = \frac{1.602\times10^{-19} \times 92\times10^{-12}}{3.336\times10^{-30}} = 4.42\ \text{D} \qquad \frac{1.82}{4.42}\times100 = 41\%$

HCl için aynı hesap %17.7 verir (sorular kısmında). Elektronegatiflik farkı büyüdükçe iyonik karakter artar.

Hibritleşme (hybridization)

VSEPR şekli tahmin eder ama nasıl oluştuğunu açıklamaz. C atomunun değerlik orbitalleri $2s$ ve üç $2p$; $p$ orbitalleri birbirine 90° durur. Peki $\mathrm{CH_4}$‘te dört eşdeğer bağ 109.5°‘de nasıl oluşur?

Değerlik bağı teorisi (valence bond theory) cevabı: atom bağ yaparken değerlik orbitallerini karıştırarak yeni, eşdeğer hibrit orbitaller (hybrid orbitals) oluşturur. Kurallar:

• $n$ atom orbitali karışırsa $n$ hibrit orbital çıkar.
• Hibrit orbitaller VSEPR’nin elektron geometrisine yönelir.
• Hibrit orbital sayısı = elektron bölgesi sayısı.

Ortaklanmamış çiftler de hibrit orbitalde oturur. $\mathrm{NH_3}$‘te N sp³: üç hibrit H ile bağ yapar, dördüncüsünde ortaklanmamış çift durur. $\mathrm{H_2O}$‘da O da sp³’tür.

Örnek 4. Asetaldehit $\mathrm{CH_3CHO}$‘daki iki C atomu:

CH3 karbonu: 4 tekli bağ   → 4 bölge → sp3, tetrahedral
CHO karbonu: C–C, C–H, C=O → 3 bölge → sp2, üçgen düzlem (1 saf p kaldı → π bağı için)
O atomu:     C=O + 2 ortaklanmamış çift → 3 bölge → sp2

Saf (hibritleşmemiş) p orbitallerinin ne işe yaradığı gelecek haftanın konusu: π bağları.

İPUCU · hibrit sırası. Bölge sayısını bulduktan sonra hibrit adını yazmak için üst simgeleri topla: sp (1+1 = 2), sp² (1+2 = 3), sp³ (1+3 = 4), sp³d (1+3+1 = 5), sp³d² (1+3+2 = 6).

Sık yapılan hatalar