AYT KARBON KİMYASINA GİRİŞ: HİBRİTLEŞME VE MOLEKÜL GEOMETRİSİ

AYT karbon kimyasına giriş konu anlatımı kapsamında organik ve anorganik bileşiklerin ayrımı, basit ve molekül formülleri, karbonun allotropları, Lewis formülleri, sigma–pi bağları, hibritleşme ve molekül geometrisi işlenecektir.
AYT kimya konularının tamamına AYT konu anlatımı arşivinden ulaşabilirsiniz.

Organik Kimyanın Başlangıcı

Organik Bileşik Kavramı ve Wöhler Deneyi

Organik kimya, karbon bileşiklerinin yapılarını, özelliklerini ve tepkimelerini inceleyen kimya alanıdır. İlk dönemlerde şeker, yağ ve üre gibi maddelerin yalnız canlılarda oluşabileceği düşünülüyordu. Bu düşünceye yaşamsal güç görüşü deniyordu; organik maddelerin laboratuvarda anorganik maddelerden üretilemeyeceği kabul ediliyordu.

Friedrich Wöhler 1828 yılında anorganik amonyum siyanatı ısıtarak aynı atomlardan oluşan fakat farklı bağlanma düzenine sahip üreyi elde etti. Böylece bir organik bileşiğin canlı vücudu dışında sentezlenebildiği gösterildi. Bu deney, organik bileşiklerin doğaüstü bir “yaşamsal güç” gerektirmediğini ortaya koydu; organik kimya zamanla karbon bileşiklerinin kimyası olarak gelişti.

Organik ve Anorganik Bileşiklerin Ayrımı

Organik bileşiklerin temel elementi karbondur ve çoğunda karbonla birlikte hidrojen bulunur. Oksijen, azot, kükürt, fosfor ve halojenler de yapıya katılabilir. Organik bileşiklerin büyük bölümü kovalent yapılıdır; bu nedenle erime ve kaynama noktaları çoğu iyonik anorganik bileşiğe göre daha düşüktür. Birçoğu yanıcıdır, tepkimeleri görece yavaştır ve suda sınırlı çözünürken organik çözücülerde daha iyi çözünebilir.

Karbon içeren her madde organik değildir. CO, CO₂, H₂CO₃, karbonatlar, bikarbonatlar, karbürler, siyanürler ve CS₂ lise düzeyindeki sınıflandırmada anorganik kabul edilir. Buna karşılık CH₄, CCl₄, CH₃OH, CH₃COOH ve üre organik bileşiklerdir. “C içeriyor” bilgisi gerekli bir başlangıçtır; tek başına yeterli sınıflandırma ölçütü değildir.

Basit, Molekül ve Yapı Formülü

Basit formül ya da kaba formül, bir bileşikteki atomların en küçük tam sayılı oranını gösterir. C₂H₄‘ün atom oranı 2:4 değil sadeleşmiş 1:2 olduğundan basit formülü CH₂‘dir. Basit formül, moleküldeki gerçek atom sayılarını vermek zorunda değildir.

Molekül formülü, bir moleküldeki gerçek atom sayılarını gösterir. Molekül formülü, basit formülün tam sayılı katıdır: Molekül formülü = n*(basit formül). Buradaki n, molekülün mol kütlesinin basit formül biriminin mol kütlesine oranıdır. Örneğin CH₂ biriminin mol kütlesi 14 g/mol, bileşiğin mol kütlesi 56 g/mol ise n=56/14=4 ve molekül formülü C₄H₈ olur.

Yapı formülü, atom sayısına ek olarak atomların hangi sırayla ve hangi bağlarla bağlandığını gösterir. C₂H₆O molekül formülü hem CH₃CH₂OH hem de CH₃OCH₃ yapısına karşılık gelebilir. Bu iki madde aynı molekül formülüne fakat farklı bağlanma düzenine sahip olduğundan farklı bileşiklerdir.

Karbon Elementi ve Allotropları

Allotropların bağlanmasını yorumlamak için sigma (σ) bağı, çekirdekler arasındaki eksen boyunca örtüşmeyle; pi (π) bağı ise paralel p orbitallerinin eksenin iki yanında yan yana örtüşmesiyle oluşur. sp² hibritleşmesinde hibritleşmemiş bir p orbitali kalır ve bu orbitaldeki elektronlar yapı boyunca yayılabilir; sp³ hibritleşmesinde hibritleşmemiş p orbitali kalmaz.

Karbonun Çok Sayıda Bileşik Oluşturması

Karbon atomu periyodik tablonun 2. periyodunda ve 14. grubunda bulunur. Elektron dizilimi 1s²2s²2p², değerlik elektron sayısı dörttür. Değerlik elektronu, atomun en dış enerji düzeyinde bulunan ve bağ oluşumuna katılabilen elektrondur. Karbon dört değerlik elektronu sayesinde dört kovalent bağ kurabilir.

Karbon–karbon bağları yeterince kararlı olduğu için karbon atomları birbirine bağlanarak düz zincir, dallanmış zincir, halka ve geniş ağ yapıları oluşturabilir. Karbon ayrıca tekli, ikili ve üçlü bağ kurabilir. Bu bağ çeşitliliği ile O, N, S ve halojenler gibi çok sayıda elementin yapıya katılması, organik bileşik sayısının çok büyük olmasının temel nedenidir.

Allotrop Kavramı

Allotrop, aynı elementin atomlarının farklı bağlanma veya uzaysal dizilişlerle oluşturduğu farklı yapılardır. Allotroplar aynı elementten oluşsa da atomların komşulukları ve bağ türleri değiştiği için fiziksel özellikleri farklıdır; kimyasal etkinlikleri de aynı olmak zorunda değildir. Elmas, grafit, grafen, fulleren ve karbon nanotüp karbonun allotropik yapılarıdır.

Elmas ve Grafit

Elmasta her karbon dört karbon atomuna bağlanır ve üç boyutlu düzgün dörtyüzlü ağ oluşur. Bütün değerlik elektronları yerel sigma bağlarında tutulduğu için elektrik akımını taşıyacak hareketli elektron yoktur; elmas elektriği iletmez. Kuvvetli ve sürekli ağ yapısı elmasa yüksek sertlik kazandırır. Titreşim enerjisinin ağ boyunca etkin aktarılması ise ısı iletkenliğini yükseltir.

Grafitte her karbon üç karbon atomuna bağlanarak düzlemsel altıgen tabakalar oluşturur. Tabaka içinde kuvvetli kovalent bağlar, tabakalar arasında zayıf etkileşimler vardır. Tabakaların birbirinin üzerinden kayabilmesi grafiti yumuşak yapar. Hibritleşmeye katılmayan p orbitallerindeki elektronların tabaka boyunca yayılabilmesi nedeniyle grafit elektrik ve ısı iletir.

Grafen, Fulleren ve Karbon Nanotüp

Grafen, grafitteki tek bir altıgen karbon tabakasıdır. Bir atom kalınlığındaki iki boyutlu yapıda her karbon üç komşuya bağlıdır; hareketli pi elektronları elektrik iletimine katkı sağlar. İnce olmasına karşın bağ ağı çok dayanıklıdır.

Fullerenler, beşgen ve altıgen halkaların birlikte bulunduğu kapalı kafeslerdir. C₆₀ küreye benzeyen en tanınmış örnektir. Karbon nanotüp, altıgen karbon ağının silindir biçiminde kıvrılmış hâli olarak düşünülebilir. Nanotüplerin yüksek dayanıklılık ve iletkenlik özellikleri, bağ düzeni ile çok küçük çaplarının ortak sonucudur.

Örnek - 6

Şekildeki I, II ve III karbon yapılarıyla ilgili,

I. I numaralı yapıda her karbon dört komşuya bağlıdır.
II. II numaralı yapıda tabaka boyunca hareket edebilen pi elektronları elektrik iletimine katkı sağlar.
III. III numaralı yapı kapalı kafesli bir fullerene karşılık gelir.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I, II ve III
D) I ve II
E) II ve III

Cevabı Göster

I elmasın tetrahedral ağı, II grafitin katmanlı ağı, III fullerenin kapalı kafesidir. Üç ifade de bu yapılarla uyumludur.

Cevap: C

Lewis Formülleri

Değerlik Elektronu ve Lewis Sembolü

Bir ana grup elementinin kimyasal davranışını büyük ölçüde en dış katmandaki değerlik elektronları belirler. Lewis sembolü, element sembolünün çevresine değerlik elektronu sayısı kadar nokta yerleştirilmesidir. Noktalar önce dört yöne birer birer, sonra eşleşecek biçimde dağıtılır. Karbon dört, azot beş, oksijen altı ve flor yedi değerlik elektronuyla gösterilir.

Lewis sembolü tek atomun bağ kurmadan önceki elektronlarını; Lewis formülü ise molekülde elektronların nasıl paylaşıldığını gösterir. Her çizgi, ortaklaşa kullanılan iki elektrondan oluşan bir bağlayıcı elektron çiftini temsil eder. Bağa katılmayan elektron çiftlerine ortaklanmamış elektron çifti ya da yalnız çift denir.

Dublet ve Oktet Kuralı

Hidrojen, ilk enerji düzeyini iki elektronla doldurduğunda kararlı dublet düzenine ulaşır. İkinci periyot ana grup atomlarının çoğu, çevresinde sekiz değerlik elektronu bulunduğunda oktet düzenine yaklaşır. Tekli bağ iki, ikili bağ dört, üçlü bağ altı ortaklanmış elektron içerir; bu elektronlar bağı oluşturan iki atom için de sayılır.

Oktet, yararlı bir temel modeldir fakat istisnasız yasa değildir. BeH₂‘de Be dört, BF₃‘te B altı elektronla çevrili olabilir. Üçüncü periyot ve sonrasındaki bazı merkez atomlar PCl₅ ve SF₆ gibi yapılarda sekizden fazla elektronu çevresinde bulundurabilir.

Lewis Formülünün Kurulması

Lewis formülü toplam değerlik elektron sayısıyla başlar. En az elektronegatif atom çoğunlukla merkeze yerleşir; H hiçbir zaman merkez atom değildir. Atomlar önce tekli bağlarla bağlanır. Kalan elektronlar önce uç atomların dublet veya oktetini, sonra merkez atomu tamamlar. Merkez atomun okteti eksik kalırsa uygun uç atomun yalnız çifti bağa dönüştürülerek ikili veya üçlü bağ oluşturulur.

CO₂ için toplam değerlik elektronu 4+2*6=16’dır. O–C–O iskeletindeki iki tekli bağ dört elektron kullanır. Uç oksijenlerin oktetleri tamamlandığında merkez karbonun çevresinde yalnız dört elektron kalır. Her oksijenden bir yalnız çift bağa dönüştüğünde O=C=O yapısı oluşur ve üç atom da oktete ulaşır.

Sigma ve Pi Bağları

Orbital Örtüşmesi

Orbital, bir elektronu bulma olasılığının yüksek olduğu uzay bölgesini anlatan matematiksel modeldir. s orbitali küresel; p orbitalleri iki loblu yapıdadır ve birbirine dik üç doğrultuda yönelir. Kovalent bağ, uygun enerji ve yönelime sahip yarı dolu orbitallerin örtüşmesiyle oluşur. Örtüşmenin çekirdekleri birleştiren eksene göre yönü bağın sigma veya pi olmasını belirler.

Sigma Bağı

Sigma bağı (σ), orbitallerin çekirdekleri birleştiren eksen boyunca uç uca örtüşmesiyle oluşur. s–s, s–p, p–p veya hibrit orbital örtüşmeleri sigma bağı verebilir. İki atom arasında oluşan ilk bağ her zaman sigmadır. Tekli bağ bütünüyle bir sigma bağıdır.

Sigma bağında elektron yoğunluğu bağ ekseni çevresinde bulunduğu için örtüşme genellikle pi bağından daha etkindir. Tekli sigma bağı çevresinde, başka yapısal engel yoksa dönme gerçekleşebilir; çünkü bağ ekseni çevresindeki örtüşme büyük ölçüde korunur.

Pi Bağı

Pi bağı (π), paralel iki p orbitalinin çekirdekler arası eksenin iki yanında yan yana örtüşmesiyle oluşur. Elektron yoğunluğu eksenin üzerinde ve altında iki bölgede bulunur. Pi bağı tek başına oluşmaz; aynı iki atom arasında önce sigma bağı bulunur.

İkili bağ bir sigma ve bir pi; üçlü bağ bir sigma ve iki pi bağından oluşur. Pi bağını oluşturan p orbitallerinin paralelliği bozulursa örtüşme azalır. Bu nedenle ikili bağ çevresinde serbest dönme, pi bağı kırılmadan gerçekleşmez.

Örnek - 14

Görseldeki CH₂=CH–C≡N molekülünde toplam sigma ve pi bağı sayıları sırasıyla kaçtır?

A) 4 ve 3
B) 5 ve 2
C) 5 ve 3
D) 6 ve 2
E) 6 ve 3

Cevabı Göster

Üç C–H bağı üç sigma verir. C=C, C–C ve C≡N bağlantılarının her birinde bir sigma bulunur; toplam sigma sayısı 6’dır. Çift bağ bir, üçlü bağ iki pi verdiği için toplam pi sayısı 3’tür.

Cevap: E

Bağ Sayısı, Uzunluğu ve Enerjisi

Aynı iki atom arasındaki bağ mertebesi arttıkça çekirdekler arasındaki elektron yoğunluğu artar ve atomlar birbirine yaklaşır. Bu nedenle genel sıralama C≡C < C=C < C–C bağ uzunluğu biçimindedir. Bağı koparmak için gereken enerji bakımından sıra tersine döner: C≡C > C=C > C–C.

“Üçlü bağ, tekli bağın tam üç katı kuvvetindedir” sonucu çıkarılamaz. Üçlü bağ bir güçlü sigma ile iki daha zayıf pi bileşeninden oluşur. Toplam bağ enerjisi yükselir fakat bileşenler eş değer değildir. Kimyasal katılma tepkimelerinde daha erişilebilir pi bağı çoğunlukla sigma bağından önce etkilenir.

Hibritleşme

Karbonun Temel Hâli, Uyarılması ve Hibrit Orbitaller

Karbonun temel hâl değerlik dizilimi 2s²2p²‘dir. Bu gösterimde iki p orbitali yarı dolu, 2s orbitali doludur. Yalnız yarı dolu orbital sayısına bakılırsa karbonun iki bağ yapması beklenirdi; oysa CH₄‘te dört eş değer C–H bağı vardır. Model, bir 2s elektronunun boş 2p orbitaline yükseltilmesiyle dört yarı dolu orbital elde edildiğini ve ardından orbitallerin yeniden düzenlendiğini kabul eder.

Hibritleşme, aynı atom üzerindeki yakın enerjili s ve p orbitallerinin matematiksel olarak birleşerek bağ yönlerine uygun, eş değer yeni orbitaller vermesidir. Bu işlem atomlar birbirine yaklaşırken bağ oluşumunu açıklayan bir modeldir; orbitaller fiziksel parçalar gibi çarpışıp birleşmez. Hibritleşmeye katılan orbital sayısı kadar hibrit orbital oluşur.

sp³ Hibritleşmesi

Bir s ve üç p orbitalinin birleşmesi dört eş değer sp³ hibrit orbitali oluşturur. Dört orbital elektron itmesini en aza indirmek için uzayda düzgün dörtyüzlünün köşelerine yönelir; ideal bağ açısı 109,5°dir. Her sp³ orbitalinin s karakteri %25, p karakteri %75’tir.

CH₄‘te karbonun dört sp³ orbitali hidrojenlerin 1s orbitalleriyle uç uca örtüşür ve dört eş değer sigma bağı oluşturur. Bir atom çevresindeki sigma bağları ile ortaklanmamış elektron çiftlerinin toplamı dörtse, lise düzeyindeki hibritleşme modelinde merkez atom çoğunlukla sp³ kabul edilir.

sp² Hibritleşmesi

Bir s ve iki p orbitalinin birleşmesi üç eş değer sp² hibrit orbitali oluşturur. Bu orbitaller aynı düzlemde 120° aralıklarla yönelir; bir p orbitali hibritleşmeye katılmaz ve düzleme dik kalır. sp² orbitalinin s karakteri 13, p karakteri 23 kadardır.

C₂H₄‘te her karbon üç sp² orbitaliyle üç sigma bağı kurar. İki karbonun hibritleşmemiş p orbitalleri paralel biçimde yan yana örtüşür ve C=C bağının pi bileşenini oluşturur. Böylece her karbon çevresi düzlem üçgen, molekülün karbon–hidrojen iskeleti düzlemsel olur.

sp Hibritleşmesi

Bir s ve bir p orbitalinin birleşmesi iki eş değer sp hibrit orbitali verir. İki orbital zıt yönlere 180° ile uzanır; iki p orbitali hibritleşmeden kalır. sp orbitalinin s karakteri %50, p karakteri %50’dir.

C₂H₂‘de her karbon iki sp orbitaliyle doğrusal sigma iskeletini kurar. Her karbonda kalan iki p orbitali, diğer karbondaki karşılığıyla iki farklı düzlemde yan yana örtüşür. C≡C üçlü bağı böylece bir sigma ve birbirine dik iki pi bağından oluşur.

Hibritleşme Türünün Belirlenmesi

Merkez atom çevresindeki her sigma bağı doğrultusu bir elektron bölgesidir. Her ortaklanmamış elektron çifti de bir bölge sayılır. İkili veya üçlü bağın tamamı tek doğrultuda bulunduğu için bir elektron bölgesidir. Bölge sayısı 2 ise sp, 3 ise sp², 4 ise sp³ hibritleşmesiyle eşleştirilir.

Karbon içeren açık yapılarda pratik eşleştirme şöyledir: dört sigma bağı yapan doymuş karbon sp³; üç sigma ve bir pi bileşeni bulunan karbon sp²; iki sigma ve iki pi bileşeni bulunan karbon sp’tir. Bu ilişki, yalnız bağ çizgisini saymaktan daha güvenlidir; çünkü üçlü bağ üç çizgi taşısa da tek sigma doğrultusudur.

Örnek - 19

Görseldeki molekülde sp, sp² ve sp³ hibritleşmesi yapan karbon sayıları sırasıyla kaçtır?

A) 1, 2, 2
B) 2, 1, 2
C) 2, 3, 0
D) 3, 1, 1
E) 2, 2, 1

Cevabı Göster

1 numaralı CH₃ karbonu sp³; üçlü bağdaki 2 ve 3 numaralı karbonlar sp; çift bağdaki 4 ve 5 numaralı karbonlar sp²’dir. Sayılar 2, 2 ve 1’dir.

Cevap: E

s Karakteri, Bağ Uzunluğu ve Bağ Kuvveti

Bir hibrit orbitaldeki s karakteri arttıkça elektron yoğunluğu çekirdeğe daha yakın bulunur. sp orbitallerinde %50, sp² orbitallerinde yaklaşık %33, sp³ orbitallerinde %25 s karakteri vardır. Bu nedenle aynı tür atomlar arasındaki sigma bağları karşılaştırılırken s karakteri arttıkça bağ genellikle kısalır ve kuvvetlenir.

Sıralama sp > sp² > sp³ s karakteri biçimindedir. Bu ilişki tek başına bütün bağ enerjisini belirlemez; bağ mertebesi ve atom türü de önemlidir. Aynı atom çifti ve benzer çevre koşullarında yapılan karşılaştırmada anlamlıdır.

Molekül Geometrisi ve VSEPR

Elektron Bölgeleri ve VSEPR Gösterimi

VSEPR, Değerlik Kabuğu Elektron Çifti İtme Kuramının kısaltmasıdır. Merkez atom çevresindeki elektron bölgeleri negatif yüklü oldukları için birbirini iter ve mümkün olduğunca uzak yönlere yerleşir. Bir tekli, ikili veya üçlü bağ tek elektron bölgesi; her yalnız çift ayrı bir elektron bölgesidir.

VSEPR gösteriminde A merkez atomu, X merkeze bağlı atom veya atom grubunu, E merkez atomdaki ortaklanmamış elektron çiftini gösterir. Örneğin CH₄ AX₄, NH₃ AX₃E, H₂O AX₂E₂‘dir. X’in alt indisi bağlı atom sayısını, E’nin alt indisi yalnız çift sayısını belirtir.

Elektron Geometrisi ve Molekül Geometrisi

Elektron geometrisi, bağ yapan bölgelerle yalnız çiftlerin tamamının uzaydaki düzenidir. Molekül geometrisi ise atom çekirdeklerinin oluşturduğu görünür şekildir; yalnız çiftler şeklin adı içinde atom gibi sayılmaz. Bu nedenle dört elektron bölgesine sahip CH₄, NH₃ ve H₂O’nun elektron geometrisi tetrahedral olduğu hâlde molekül geometrileri farklıdır.

İtme şiddeti genel olarak yalnız çift–yalnız çift > yalnız çift–bağ çifti > bağ çifti–bağ çifti sırasındadır. Yalnız çiftler daha geniş alan kapladığından bağları birbirine doğru sıkıştırır. Bu yüzden ideal tetrahedral açı CH₄‘te 109,5°, NH₃‘te yaklaşık 107°, H₂O’da yaklaşık 104,5° olur.

Temel VSEPR Şekilleri

Örnek - 24

Görseldeki I, II ve III modelleriyle ilgili,

I. I numaralı tür AX₃ ve düzlem üçgendir.
II. II numaralı tür AX₃E ve üçgen piramittir.
III. III numaralı tür AX₂E₂ ve açısaldır.

yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III

Cevabı Göster

I modelinde yalnız çiftsiz üç bağ bölgesi, II’de üç bağ ve bir yalnız çift, III’te iki bağ ve iki yalnız çift görünür. Gösterimler ve geometriler üçünde de doğrudur.

Cevap: E

Beş ve Altı Elektron Bölgeli Geometriler

Merkez atom çevresinde beş elektron bölgesi varsa elektron geometrisi üçgen çift piramit, altı bölge varsa düzgün sekizyüzlü ya da oktahedraldir. PCl₅, AX₅ gösterimiyle üçgen çift piramit; SF₆, AX₆ gösterimiyle düzgün sekizyüzlüdür. Basit hibritleşme modelinde bunlar sırasıyla sp³d ve sp³d² biçiminde eşleştirilir.

Üçgen çift piramitte üç ekvatoral bağ aynı düzlemde 120°, iki eksenel bağ bu düzleme dik 90° konumdadır. Oktahedral yapıda komşu bağlar 90°, karşılıklı bağlar 180°dir. Bu geometriler ikinci periyot merkez atomlarında görülmez; ikinci periyot atomları değerlik kabuğunu sekiz elektronun üzerine genişletemez.

Molekül Geometrisi ve Polarlık

Bir bağın polar olması, bağ elektronlarının elektronegatifliği büyük atoma daha çok çekilmesi demektir. Molekülün polar olup olmadığı ise bütün bağ dipollerinin uzaysal toplamına bağlıdır. Aynı tür uç atomlara sahip simetrik yapılarda dipoller birbirini götürebilir. CO₂ doğrusal, BF₃ düzlem üçgen ve CH₄ düzgün dörtyüzlü olduklarından bağ dipolleri oluşsa bile molekülün net dipolü sıfır olabilir.

Yalnız çiftler veya farklı uç atomlar simetriyi bozabilir. NH₃‘ün üçgen piramit ve H₂O’nun açısal şekillerinde bağ dipolleri birbirini götürmez; iki molekül de polardır. Dolayısıyla molekül polarlığı yalnız “polar bağ var mı?” sorusuyla değil, Lewis yapısı ve geometri birlikte değerlendirilerek belirlenir.