Molekül şekilleri (VSEPR), polarlık ve dipol momenti, hibritleşme
Elektron bölgesi sayısından elektron geometrisi ve molekül şekline, bağ açılarına; bağ dipollerinden molekül polarlığına; bölge sayısından sp, sp², sp³, sp³d, sp³d² hibritleşmesine.
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:
- Önce Lewis yapısı, sonra bölge say. Bölge sayısı her şeyi belirler.
- Çift ve üçlü bağ tek bölgedir.
- Şekil adını sadece atomlar verir. Ortaklanmamış çiftler şekli büker ama adlandırmada görünmez.
- 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 (). Bağlı atom sayısı ile birlikte 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.
| Bölge | Elektron geometrisi | AXE | Molekül şekli | İdeal açı | Örnek |
|---|---|---|---|---|---|
| 2 | doğrusal | AX₂ | doğrusal (linear) | 180° | , |
| 3 | üçgen düzlem | AX₃ | üçgen düzlem (trigonal planar) | 120° | , |
| 3 | üçgen düzlem | AX₂E | açısal (bent) | <120° | , |
| 4 | tetrahedral | AX₄ | tetrahedral | 109.5° | , |
| 4 | tetrahedral | AX₃E | üçgen piramit (trigonal pyramidal) | ~107° | , |
| 4 | tetrahedral | AX₂E₂ | açısal (bent) | ~104.5° | , |
| 5 | üçgen çift piramit | AX₅ | üçgen çift piramit (trigonal bipyramidal) | 90°, 120° | |
| 5 | üçgen çift piramit | AX₄E | tahterevalli (seesaw) | ||
| 5 | üçgen çift piramit | AX₃E₂ | T şekli (T-shaped) | ~90° | |
| 5 | üçgen çift piramit | AX₂E₃ | doğrusal | 180° | , |
| 6 | oktahedral | AX₆ | oktahedral (octahedral) | 90° | |
| 6 | oktahedral | AX₅E | kare piramit (square pyramidal) | ~90° | |
| 6 | oktahedral | AX₄E₂ | kare düzlem (square planar) | 90° | , |
Açılar neden daralır?
Ortaklanmamış çift sadece bir çekirdeğe bağlıdır, bu yüzden merkez atom çevresinde daha geniş yer kaplar. İtme sırası:
Bu yüzden 109.5° → ‘te 107° → ‘da 104.5°. Çoklu bağlar da tekli bağdan fazla yer kaplar; ‘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: .
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: .
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. ‘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:
ayrılan yük, yükler arası uzaklık. Birim debye: C·m.
Bağ dipolleri vektördür. Molekülün net dipolü, bağ dipollerinin vektörel toplamıdır. Bu yüzden:
- Polar bağ + simetrik şekil + aynı uç atomlar → apolar molekül. : iki C=O dipolü zıt yönde, toplam 0. , , , da apolar.
- Polar bağ + asimetrik şekil → polar molekül. (açısal), (piramit), (açısal).
- Simetrik şekil ama farklı uç atomlar → genelde polar: , .
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 olurdu ve . Ölçülen dipol momentinin bu değere oranı bağın iyonik karakterini verir.
Örnek 3. HF için pm, ölçülen D.
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 ve üç ; orbitalleri birbirine 90° durur. Peki ‘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:
- atom orbitali karışırsa hibrit orbital çıkar.
- Hibrit orbitaller VSEPR’nin elektron geometrisine yönelir.
- Hibrit orbital sayısı = elektron bölgesi sayısı.
| Bölge | Hibrit | Karışan orbitaller | Geometri | Kalan saf p |
|---|---|---|---|---|
| 2 | sp | s + p | doğrusal | 2 |
| 3 | sp² | s + 2p | üçgen düzlem | 1 |
| 4 | sp³ | s + 3p | tetrahedral | 0 |
| 5 | sp³d | s + 3p + d | üçgen çift piramit | |
| 6 | sp³d² | s + 3p + 2d | oktahedral |
Ortaklanmamış çiftler de hibrit orbitalde oturur. ‘te N sp³: üç hibrit H ile bağ yapar, dördüncüsünde ortaklanmamış çift durur. ‘da O da sp³’tür.
Örnek 4. Asetaldehit ‘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
| Yanlış düşünce | Doğrusu |
|---|---|
| Çift bağ 2 bölge sayılır | Her çoklu bağ tek bölge |
| tetrahedral | Elektron geometrisi tetrahedral, molekül şekli üçgen piramit |
| doğrusal | 2 ortaklanmamış çift: açısal, 104.5° |
| 5 bölgede ortaklanmamış çift eksenelde | Ekvatoralde |
| tetrahedral | 6 bölge, AX₄E₂: kare düzlem |
| Polar bağı olan molekül polardır | Simetri dipolleri sıfırlayabilir: , apolar |
| Hibritleşme şekli belirler | Şekil (bölge sayısı) hibritleşmeyi belirler |
| ‘de C sp² | 2 bölge: sp |
| μ hesabında pm’yi m’ye çevirme | m |
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
What is the molecular geometry of ?
- trigonal planar
- trigonal pyramidal
- tetrahedral
- T-shaped
Cevabı göster
N: 3 bağ + 1 ortaklanmamış çift = 4 bölge (AX₃E). Elektron geometrisi tetrahedral, ama şekil sadece atomlara bakılarak adlandırılır: üçgen piramit.
Which is the best estimate of the H–O–H bond angle in water?
- 180°
- 120°
- 109.5°
- 104.5°
Cevabı göster
AX₂E₂: 4 bölge, ideal 109.5°. İki ortaklanmamış çift bağ çiftlerini daha çok iter, açı daralır: deneysel 104.5°.
What is the molecular geometry of ?
- tetrahedral
- square planar
- seesaw
- trigonal pyramidal
Cevabı göster
34 değerlik e⁻. Dört F'nin oktetleri 32 e⁻; S'de 1 ortaklanmamış çift kalır. 5 bölge (AX₄E), elektron geometrisi üçgen çift piramit. Ortaklanmamış çift ekvatoral konuma oturur: tahterevalli (seesaw).
What is the molecular geometry of ?
Cevabı göster
36 e⁻. 4 F × 8 = 32, Xe'de 4 e⁻ = 2 çift. 6 bölge (AX₄E₂), elektron geometrisi oktahedral. İki ortaklanmamış çift birbirinden en uzak olacak şekilde karşılıklı (eksenel) yerleşir: kare düzlem.
Which molecule is polar?
- CO2
- BF3
- CCl4
- NH3
Cevabı göster
Dördünde de polar bağ var. (doğrusal), (üçgen düzlem) ve (tetrahedral) simetrik: bağ dipolleri birbirini yok eder. piramit: dipoller toplanır, molekül polar.
Which molecule has a zero dipole moment?
- CH3Cl
- CH2Cl2
- CHCl3
- CCl4
Cevabı göster
Hepsi tetrahedral, ama sadece 'te dört uç atom aynı. Farklı uç atomlar simetriyi bozar ve net dipol bırakır.
What is the hybridization of carbon in ?
- sp
- sp2
- sp3
- sp3d
Cevabı göster
C'nin iki bölgesi var (iki çift bağ; çoklu bağ tek bölge sayılır). 2 bölge → sp, doğrusal, 180°.
What is the hybridization of phosphorus in ?
Cevabı göster
5 bağ, 0 ortaklanmamış çift: 5 bölge. Beş hibrit orbital için bir s, üç p ve bir d orbitali karışır: sp³d. Şekil üçgen çift piramit.
What is the hybridization of nitrogen in the ammonium ion, , and what is the H–N–H angle?
Cevabı göster
4 N–H bağı, ortaklanmamış çift yok (8 e⁻ hepsi bağda). 4 bölge → sp³, düzgün tetrahedral, 109.5°. 'teki 107°'den büyük, çünkü ortaklanmamış çift yok.
The H–Cl bond length is 127 pm and its measured dipole moment is 1.08 D. What is the percent ionic character of the bond? (e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C, 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m)
Cevabı göster
Tamamen iyonik olsaydı: C·m = 6.10 D..
Two charges of +e and −e are separated by 100 pm. What is the dipole moment in debye?
- 1.00 D
- 2.40 D
- 4.80 D
- 16.0 D
Cevabı göster
C·m. D.
What is the molecular geometry of the triiodide ion, ?
- bent
- linear
- T-shaped
- trigonal planar
Cevabı göster
e⁻. İki uç I'nin oktetleri 16 e⁻; merkez I'da 6 e⁻ = 3 çift. 5 bölge (AX₂E₃). Üç ortaklanmamış çift ekvatoral düzlemde, iki I eksenel: doğrusal (180°).
Doğrulama: AXE sınıflandırmaları, şekiller ve hibritleşmeler verify/CHE1001/09.mjs içinde toplam değerlik elektronundan programla türetildi; dipol momenti hesapları aynı dosyada (e = 1.602×10^-19 C, 1 D = 3.336×10^-30 C·m).