3. Merkez atomu orbitallerinin hibritleşmesi

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.
CH4 molekülünün yapısı
Normal şartlarda C atomu 2 bağ yapması gerekirken metan molekülünde 4 bağ
yaptığı görülür. Bu durum Sp3 hibritleşme ile açıklanır.
C2H4 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
C2H2 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, CH4 ‘da karbonun Sp3 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. CH4 ‘ın geometrisi düzgün dörtyüzlüdür ve bağ açısı
109,5°dir.
NH3 molekülünde Sp3 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 Sp3 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.
H2O 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 Sp3 hibrit orbitali ile hidrojen
atomlarının Sp orbitallerinin örtüşmesiyle bağlar oluşmuştur. Moleküldeki iki adet
ortaklanmamış elektron çifti bağ yapan elektron çiftlerini iterek Sp3 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
BeH2 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. CH4 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 sp3 hibrit orbitallerini oluşturur.
Her bir sp3 hibrit orbitali hidrojenin 1s orbitaliyle girişim yaparak s-sp3 kuvvetli
kovalent bağlarını oluşturur. sp3 hibrit orbitalindeki ortaklanmamış elektron çifti, s-sp3
ortaklanmış elektron çiftlerini iter. Düzgün dörtyüzlüde 109,5° olan bağlar arasındaki
açı 107,3° olur. Molekülün şekli üçgen piramittir.
H2O molekülünün yapısında oksijenin 2s ve 2p orbitalleri hibritleşerek sp3 hibrit
orbitallerini oluşturur. Her bir sp3 hibrit orbitali hidrojenin 1s orbitaliyle girişim yaparak
s-sp3 kuvvetli kovalent bağlarını oluşturur. sp3 hibrit orbitalindeki ortaklanmamış
elektron çiftleri, s-sp3 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
CH2O’teki C’un sp2 hibrit orbitallerinden ikisi H atomlarının 1s orbitalleri ile uç uca
örtüşerek σ bağlarını, geriye kalan sp2 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 (C2H4) molekülündeki karbon atomlarının merkez atom ve hibritleşme türünün
sp2 olduğunu biliyoruz. Merkez atomun s orbitali ile iki tane p orbitalinin örtüşmesi
sonucu sp2 hibrit orbitalleri oluşur. Karbon atomlarında kalan diğer 2p orbitalleri,
hibritleşmeye katılmaz. Eten molekülü oluşurken karbon atomlarının sp2 hibrit
orbitalleri ile hidrojenlerin s orbitalleri uç uca örtüşerek sigma bağlarını oluşturur.
Karbon atomlarının sp2 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.
C2H2 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 CH4, H2O, NH3 gibi bazı moleküllerin geometrik şekilleri farklı
olurken CH2O, C2H4 gibi bazı moleküllerin geometrik şekilleri aynı olabilir.
CH4, H2O, NH3 merkez atom hibritleşme tipleri aynıdır. Ancak geometrileri farklıdır.
Formaldehidin ve etenin merkez atomunun hibritleşme tipi sp2, molekül geometrileri
de düzlem üçgendir.
14