KİMYASAL BAĞLAR A.Kerim KARABACAK
KİMYASAL BAĞLAR İYONİK BAĞ KOVALENT BAĞ MOLKÜLLERİN POLARLIĞI MOLEKÜL GEOMETRİLERİ HİBRİTLEŞME KURAMI İLE MOLEKÜL GEOMETRİLERİ REZONANS METALİK BAĞ AĞ ÖRGÜSÜ İYONİK BİLEŞİKLER MOLEKÜL YAPILI BİLEŞİKLER
KİMYASAL BAĞ ÇEŞİTLERİ İYONİK BAĞ: İyonik bağ, metal atomları ile ametal atomları arasında Elektron Transferi ile oluşan kimyasal bağdır. Metallerin iyonlaşma enerjisinin düşük, ametallerin (soy gazlar hariç) elektron ilgileri yüksektir. Bu iki grup arasındaki bileşiklerin 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 dönüşür. 1A ve 2A grubu metallerinin ametallerle yaptığı iyonik bileşiklerde iyonlar oktet ve dublet kuralına uyarlar. Örneğin; Sezyum (Cs) ve klor (CI) dan CsCI oluşumu: Cs, iyonlaşma enerjisi çok düşük 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 gerçekleşir ve elektron ortaklığına dayanır. Kimyasal bağ oluşumuna atomların tüm elektronları değil, yalnızca değerIik elektronları katılır. Yarı dolu değerlik orbitalleri, tam dolu olacak şekilde bağ yapmaya çalışır. Bir kovalent bağ, zıt spinli iki elektrondan oluşur. Zıt spin, atomun molekül içinde daha düşük enerjili (daha kararlı) olmasını sağlar. Her bağ, enerji açığa çıkararak oluşur. Aynı cins atomlardan oluşan moleküller element moleküllerdir. Böylesi moleküllerde çekirdekleri bağlayan elektron bulutu, çekirdekler çevresinde simetrik biçimde dağılmıştır. 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 ortaklaşılmaktadır; bağlayıcıdır; ama bir atomdan diğerine transfer edilmemiştir. Böylesi kutuplanmış kovalent bağlara "polar kovalent bağ" denir. Böyle bir bağ, kovalentlik ile iyoniklik arasında bir bağdır Polar bağların pozitif ve negatif yük merkezleri (+) ve (- )' ye yönlenmiş bir vektörle belirtilir. Molekül, bir bütün olarak elektrikçe nötraldir; ama molekülde elektrik yükü dağılımı asimetriktir. NOT: İki atom arasındaki elektronegatiflik farkı büyüdükçe bağın polarlığı (dipolmomenti de büyür. Elektronegatiflik farkı 1.7 den büyük olan atomlar arasındaki kovalent bağların çoğu, iyonik nitelik taşır (HF, bu genellemenin dışındadır.)
MOLEKÜLLERİN POLARLIĞI İki atomlu bir moleküllerde molekül aynı cins iki atomdan oluşmuşsa apolar bir moleküldür. Molekül farklı iki atom içeriyorsa hem molekül içi bağ polardır; hem de molekül dışa karşı polardır (dipol momenti vardır); elektriksel alanda yönlenir İkiden çok atom içeren moleküllerde bileşik moleküllerindeki her kovalent bağ, elektronegatifliği düşük olandan yüksek olana doğru yönlenmiş vektörel bir büyüklük gibi düşünülebilir. Bu vektörlerin bileşikleri sıfırsa, yani moleküldeki vektörler simetrikse molekül apolardır
MOLEKÜL GEOMETRİLERİ 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 bağlanmıştır. Molekül geometrisini, sigma bağları (iki atom arasında oluşan ilk kimyasal bağdır) ile serbest elektron çiftlerinin sayısı belirler. Pi bağları (iki atom arsında oluşan 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 yerleşir. Bu düşüncenin ışığında bir molekülün geometrisi öngörülebilir.
Merkez atomu çevresinde iki tip değerlik elektron çifti olabilir: kovalent bağ yapmış elektron çiftleri, bağ yapmamış elektron çiftleri (serbest elektron çifti). Merkez atomu çevresinde tüm değerlik elektron çiftleri bağ yapmış ise; geometrik şekiller aşağıdaki gibidir.
Merkez atomu çevresinde bir elektron çifti bağ yapmamış ise, molekülün geometrisi üçgen piramit, iki elektron çifti bağ yapmamış ise, molekülün geometrisi kırık çizgi şeklindedir Bağ yapmamış elektron çiftleri, bağ yapmışlara göre daha "oynak"tır. Nitekim serbest elektron çiftleri arasındaki itme, bağ yapmışlara göre daha fazladır. Bu nedenle H₂O molekülündeki H-O-H açısı 109.5° den daha düşük 104.5° dir. Sonuç olarak HOH, kırık çizgi şeklindedir.
HİBRİTLEŞME KURAMI İLE MOLEKÜL GEOMETRİLERİ: Hibritleşme ; merkez atomdaki değerlik orbitallerinin kaynaşarak eşdeğer orbitaller oluşturmasıdır. Örneğin; CH₄ molekülünün oluşumu: Merkezi atom olan karbon atomu için; Temel durum: 1s² 2s² 2p² Uyarılmış durum: 1s² 2s¹ 2p³ şeklindedir. (Hidrojen atomları, karbon atomunun 2s ve 2p orbitallerine bağlanmış ise C - H bağları özdeş uzunlukta ve özdeş 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 uyuşmamaktadır.) 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 hibritleşme kuramı ile açıklanabilmektedir Bu durum ancak hibritleşme kuramı ile açıklanabilmektedir. Bu kurama göre; 1. Hibrit bağları, sigma bağı niteliğindeki kovalent bağlardır. Pi bağları hibrit bağları değildir. 2. Her molekül, genel olarak, bir merkez atomuna başka atomların bağlandığı kararlı bir kümedir. Moleküllerin oluşumu ve biçimi, atomlardaki değerlik orbitallerinin kaynaşarak hibrit orbitalleri oluşturmalarıyla açıklanır. 3. Merkezi atomunda kaç değerlik orbitali kaynaşıyorsa aynı sayıda hibrit orbitali oluşur. 4. s ve p orbitalleri arasında üç farklı hibritleşme olabilir: sp, sp² , sp³. Hibritleşmeye d orbitalleri de katılabilir. Bunların en önemlileri sp³d ve sp³d² hibritleridir.
Bu kuramlara göre CH₄ molekülünde merkezi atom karbondur ve molekülde hidrojenlerin bağlandığı, birbirine eşdeğer 4 bağ bulunmaktadır. Kaynaşmayı sağlayan merkezi atomun bir tane s üç tane p orbitalidir. Hibrit orbitalleri kaynaşmaya katılan orbitallerin cins ve sayıları ile belirtilir. Buna göre CH₄ molekülü 4 adet sp³ hibriti oluşturmuştur. Bu dört eşdeğer hibrit orbitalinin herbiri bir düzgün dörtyüzlünün (tetraedral) köşelerine doğru yönlenmiştir. Hibrit orbitallerine de hidrojen atomları bağlanarak metan oluşur. Bu nedenle metan molekülünde bağ orbitallerinin, karbondaki sp³ hibrit atomik orbitalleri ile hidrojen atomlarının 1s orbitallerinden oluştuğu söylenebilir. Metan Molekülü
İki çekirdeği doğrudan doğruya bağlayan temel bağa sigma bağı denir İki 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 hibritleşmesi; H₂0 ve NH₃ bileşiklerindeki 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 oluşturur. (Eğer iki hidrojenin 1s elektronları oksijenin 2p orbitallerine bağlanmış 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 oluşturulur. 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 eşdeğerdir. sp³ hibritlerinin dördü eşdeğer 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 NH₃ molekülünde de durum aynıdır. Ancak NH₃ molekülünde azot atomunun 2s ve 2p değerlik orbitallerinden oluşan 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 eşdeğerdir. sp³ hibritlerinin dördü eşdeğer 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 hibritleşmesinde, merkez atomu çevresinde özdeş nitelikte üç hibrit orbitali (üç sp²) oluşur. Merkez atomu çevresindeki üç elektron çiftini en uzağa savuran açı 120° dir. sp hibritleşmesinde, merkez atomu çevresinde özdeş nitelikte iki hibrit orbitali (iki sp) oluşur; bunların herbiri de zıt spinli iki elektron çiftini en uzağa savuran açı 180° dir.
Hibritleşme ve hibrit orbitalleri (animasyon) Merkez atomunun hibrit tipi ve hibritin geometrisi: (Merkez Atomu (A) Üzerinde Serbest Elektron Çift Bulunan Moleküllerin Şekli ve Hibriti)
Hidrojen Bağı (animasyon) Su Molekülü ve Hidrojen Bağı (animasyon)