Kovalent bağ

İki klor atomunun ikisi de bir elektron almak ister; ikisinin de son katmanında yedi elektron vardır ve okteti tamamlamak için birer elektron eksiktir. Hiçbiri ötekine elektron vermeye razı değildir, çünkü ikisi de aynı derecede elektron çeker. Sofra tuzundaki gibi bir aktarım burada olmaz. Bunun yerine iki atom birer elektronunu ortaya koyar ve oluşan elektron çiftini birlikte kullanır; her biri kendini sekiz elektronlu sayar. Havadaki oksijen ve azot, içtiğimiz su, soluduğumuz karbon dioksit, mutfaktaki doğal gaz bu yolla bağlanmış atomlardan oluşur. Önceki derste metal ile ametal arasındaki elektron aktarımını, yani iyonik bağı gördük. Bu ders ametal atomlarının elektronlarını paylaşarak kurduğu bağı, kovalent bağı ele alıyor.

• Kovalent bağın elektron ortaklaşmasıyla nasıl oluştuğunu ve hangi atomlar arasında görüldüğünü açıklarsın.
• Tekli, ikili ve üçlü bağları tanır, bir atomun genellikle kaç bağ yaptığını oktetten çıkarırsın.
• Apolar ve polar kovalent bağı elektronegatiflik farkıyla ayırt eder, kısmi yükleri gösterirsin.
• Molekül kavramını, moleküler maddelerin ve kovalent ağ katılarının özelliklerini karşılaştırırsın.

Elektron ortaklaşması

İki ametal atomu karşılaştığında ikisi de elektron almaya yatkındır ve biri ötekine elektron veremez. Bu durumda atomlar son katmanlarındaki elektronlardan birer tanesini ortaya koyar ve oluşan elektron çiftini birlikte kullanır. Ortaklaşa kullanılan elektron çifti iki atomun çekirdeği tarafından da çekilir; bu ortak çekim iki atomu bir arada tutar. Atomlar arasında elektron çiftlerinin ortaklaşa kullanılmasıyla oluşan bağa kovalent bağ denir.

Hidrojen molekülünde (H₂) iki hidrojen atomu birer elektronunu ortaklar; her biri iki elektronla helyum dizilimine, yani dublete ulaşır. Cl₂ molekülünde de her klor atomu bir elektronunu ortaya koyar ve böylece ikisi de sekiz elektronlu okteti tamamlar. Kovalent bağ genellikle ametal atomları arasında oluşur; aynı elementin atomları arasında da (H₂, Cl₂, O₂) farklı elementlerin atomları arasında da (HCl, H₂O, CO₂) görülebilir.

Molekül

Kovalent bağlarla birbirine bağlanmış, belirli sayıda atomdan oluşan bağımsız tanecik grubuna molekül denir. İyonik bileşiklerde ayrı tanecikler yoktu ve formül yalnız oranı gösteriyordu. Kovalent bileşiklerde ise formül tek bir taneciğin bileşimini verir: H₂O yazıldığında her su molekülünün iki H ve bir O içerdiği anlaşılır. Bazı elementler de doğada tek tek atomlar hâlinde değil, iki atomlu moleküller hâlinde bulunur: hidrojen, azot, oksijen, flor, klor, brom ve iyot. Bu yüzden oksijen gazı O, klor gazı Cl diye değil, O₂ ve Cl₂ diye yazılır; tepkime denklemlerinde de bu biçimleriyle yer alırlar.

Tekli, ikili, üçlü bağ

İki atom arasında ortaklaşa kullanılan elektron çifti sayısı birden fazla olabilir.

• Tekli bağ: bir elektron çifti ortaklanır. H₂, Cl₂, HCl ve sudaki O–H bağları tekli bağdır.
• İkili bağ: iki elektron çifti ortaklanır. Oksijenin dış katmanı altı elektronla oktetin iki gerisindedir; O₂ molekülünde iki oksijen arasında ikili bağ bulunur. Karbon dioksitte karbon her oksijenle ikili bağ yapar.
• Üçlü bağ: üç elektron çifti ortaklanır. Azotun son katmanında beş elektron vardır ve üç elektron eksiktir; N₂ molekülünde iki azot arasında üçlü bağ bulunur.

Bir atomun genellikle kaç kovalent bağ yapacağı, okteti tamamlamak için kaç elektronu eksik olduğundan çıkar. Hidrojen genellikle bir, oksijen iki, azot üç, karbon dört bağ yapar. Metan (CH₄) molekülünde karbon dört hidrojenle birer tekli bağ kurar; amonyakta (NH₃) azot üç hidrojenle bağ yapar. Bu sayılar, bir kovalent bileşiğin formülünü tahmin etmeye de yarar: azot ile hidrojen birleşince NH₃, karbon ile klor birleşince CCl₄ beklenir. Bir atomun yaptığı bağların toplamı, tekli bağ bir, ikili bağ iki, üçlü bağ üç sayılarak bulunur; karbon dioksitteki karbon iki ikili bağla yine dört bağ yapmış olur.

Apolar ve polar kovalent bağ

Ortaklaşa kullanılan elektron çifti iki atom tarafından her zaman eşit çekilmez. Bunu belirleyen, bir önceki modülde gördüğümüz elektronegatifliktir.

• İki atom aynıysa elektronegatiflikleri eşittir ve elektron çifti iki çekirdeğe eşit uzaklıkta durur. Böyle bağa apolar kovalent bağ denir: H₂, Cl₂, O₂ ve N₂ moleküllerindeki bağlar apolardır.
• İki atom farklıysa elektronegatifliği büyük olan atom elektron çiftini kendine daha çok çeker. Bu atom kısmi eksi yük (δ⁻), öteki atom kısmi artı yük (δ⁺) kazanır. Böyle bağa polar kovalent bağ denir. Hidrojen klorürde klor daha elektronegatiftir: H^δ⁺–Cl^δ⁻. Sudaki O–H bağlarında da oksijen kısmi eksi, hidrojenler kısmi artı yüklüdür.

Elektronegatiflik farkı büyüdükçe bağın polarlığı artar. Hidrojen halojenürler arasında en polar bağ, en elektronegatif halojen olan florla kurulan HF'dedir. Fark çok açıldığında ortak çift neredeyse tümüyle bir atomun yanına kayar; bu durumda artık iyonik bağdan söz edilir. Böylece apolar kovalent bağ, polar kovalent bağ ve iyonik bağ, elektronegatiflik farkının büyüdüğü bir dizinin üç durağı gibi düşünülebilir.

Polar bağ, apolar molekül

Bir molekülde polar bağlar bulunması, molekülün de polar olduğu anlamına gelmez. Karbon dioksit molekülü doğrusaldır: O=C=O. İki C=O bağı da polardır ama zıt yönlere bakar ve birbirinin etkisini götürür; molekül bütün olarak apolardır. Su molekülü ise bükük yapılıdır; iki O–H bağının etkisi birbirini götürmez ve su polar bir moleküldür. Molekülün polarlığı, sonraki derslerde moleküller arası çekimleri ve çözünürlüğü açıklamak için kullanılacaktır.

Moleküler maddeler ve kovalent ağlar

Kovalent bağla oluşmuş maddelerin çoğu moleküllerden oluşur. Molekülün içindeki kovalent bağlar güçlüdür, ama moleküller birbirini çok daha zayıf kuvvetlerle çeker. Bu yüzden moleküler maddelerin erime ve kaynama noktaları genellikle düşüktür; birçoğu oda sıcaklığında gaz ya da sıvıdır. Yüklü tanecik içermedikleri için saf hâlde elektriği iletmezler. Hidrojen klorür gibi bazıları ise suda çözünürken iyonlarına ayrışır ve çözeltileri iletken olur.

Bazı maddelerde ise ayrı moleküller yoktur; bütün atomlar kovalent bağlarla birbirine bağlanarak dev bir ağ oluşturur. Kovalent ağ katıları denen bu maddelere elmas, grafit ve kuvars (SiO₂) örnektir. Bir ağ katısını eritmek için çok sayıda güçlü kovalent bağın koparılması gerektiğinden erime noktaları çok yüksektir; elmas bilinen en sert doğal maddedir. Grafit ise katmanlı yapısı sayesinde, kovalent bir katı olduğu hâlde elektriği iletir.

Örnek 1 — Bağ sayısı

Soru: Metan (CH₄) molekülünde karbon atomu kaç kovalent bağ yapar ve bu bağlar nasıldır?

• A) İki ikili bağ
• B) Bir üçlü ve bir tekli bağ
• C) Dört tekli bağ
• D) Dört ikili bağ
• E) Hiç bağ yapmaz

Çözüm: Karbonun okteti tamamlamak için dört elektronu eksiktir; her hidrojenle bir elektron çifti ortaklayarak dört tekli bağ kurar. Cevap: C.

Örnek 2 — Polar mı, apolar mı?

Soru: F₂ ve HF moleküllerindeki bağlar için hangisi doğrudur?

• A) İkisi de apolardır.
• B) İkisi de iyoniktir.
• C) F₂'deki bağ polar, HF'deki apolardır.
• D) İkisi de polardır.
• E) F₂'deki bağ apolar, HF'deki polar kovalenttir.

Çözüm: F₂'de iki aynı atom vardır, elektronegatiflik farkı sıfırdır. HF'de flor elektron çiftini hidrojenden çok daha güçlü çeker. Cevap: E.

Örnek 3 — İyonik mi, kovalent mi?

Soru: MgCl₂ ve CCl₄ bileşiklerindeki bağlar için hangisi doğrudur?

• A) MgCl₂ iyonik, CCl₄ kovalenttir.
• B) İkisi de iyoniktir.
• C) İkisi de kovalenttir.
• D) MgCl₂ kovalent, CCl₄ iyoniktir.
• E) İkisi de metalik bağlıdır.

Çözüm: MgCl₂ metal ile ametalden oluşur ve elektron aktarılır. CCl₄ yalnız ametallerden oluşur ve elektronlar ortaklaşa kullanılır. Cevap: A.

Örnek 4 — Molekül polarlığı

Soru: CO₂ molekülü polar bağlar içerdiği hâlde neden apolardır?

• A) Bağları apolardır.
• B) İyonik bir bileşiktir.
• C) Molekül doğrusal ve simetriktir; iki bağın kutupları birbirini dengeler.
• D) Karbon elektronegatif değildir.
• E) Molekülde oksijen yoktur.

Çözüm: O=C=O doğrusal yapısında iki polar bağ zıt yönlere bakar ve etkileri birbirini götürür. Cevap: C.

• Kovalent bağı elektron aktarımı sanmak. Kovalent bağda elektronlar ortaklaşa kullanılır, aktarılmaz.
• Her kovalent bağı apolar saymak. Farklı atomlar arasındaki bağ, elektronegatiflik farkı nedeniyle polardır.
• Polar bağlı her molekülü polar sanmak. Simetrik moleküllerde (CO₂) bağların kutupları birbirini götürür.
• Bütün kovalent maddelerin erime noktasının düşük olduğunu düşünmek. Elmas ve kuvars gibi ağ katılarının erime noktaları çok yüksektir.
• Kısmi yükü tam iyon yükü sanmak. δ⁺ ve δ⁻ yalnız elektron çiftinin kaymasını gösterir.