Kimyasal Bağlar Temel Kavramlar

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 HO-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
CH 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: CH3CH2OH 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: HNO3 Levis Yapısını gösteriniz.
• Ödev:C2N2, SO2, NF3, OCF2 Bileşiklerinin
lewis yaplarını gösteriniz.