Hibritleşme

Şeyma okul dönüşü banliyö treninde, kırtasiyeden yeni aldığı molekül modeli setini kucağında açtı. Siyah karbon küresine dört beyaz hidrojen taktı ve kaşlarını çattı: kürenin dört deliği birbirinin aynısıydı. «Set yanlış üretilmiş,» dedi yanındaki Tolga'ya. «Karbonun dizilimi 1s² 2s² 2p². Bağlardan biri s orbitalinden, üçü p orbitallerinden gelir; biri ötekilerden farklı olmalı.» Tolga hidrojenlerden birini söküp yerine yeşil bir klor küresi taktı. «Haklı olsaydın klorometanın iki ayrı çeşidi bulunurdu: klor o farklı bağa oturunca bir madde, üç eş bağdan birine oturunca başka bir madde. Oysa kimyacıların tanıdığı tek bir klorometan var.» Şeyma modeli avucunda çevirdi; klor hangi deliğe takılırsa takılsın aynı molekül çıkıyordu. «Peki s ile p arasındaki fark nereye kayboluyor?»

• Karbonun temel ve uyarılmış hâl dizilimlerinden yola çıkarak hibrit orbitallerin nasıl oluştuğunu açıklarsın.
• Bir moleküldeki merkez atomun ya da zincirdeki her karbonun hibrit türünü çevresindeki elektron bölgesi sayısından belirlersin.
• Yarı açık formülü verilen bir moleküldeki sigma (σ) ve pi (π) bağlarını eksiksiz sayarsın.
• Tekli, ikili ve üçlü bağları uzunluk ve sağlamlık bakımından nitel olarak sıralarsın.

Dizilimin söylediği, metanın gösterdiği

«Orbitaller» dersinde s orbitalinin küresel, p orbitallerinin ise üç eksen boyunca uzanan iki loblu bölgeler olduğunu gördük. «Elektron dizilimi» dersi de ₆C atomunun temel hâlini 1s² 2s² 2p² diye yazdırdı. Değerlik katmanını orbital kutularıyla açalım:

TYT «Kovalent bağ» dersinde bağı, iki atomun birer elektronunu ortaya koyup bir çifti paylaşması diye tanımladık. Orbital diliyle söylersek: tek elektronlu iki orbital örtüşür ve çift bu ortak bölgede durur. Temel hâldeki karbonun tek elektronlu yalnız iki orbitali olduğuna göre iki bağ kurup CH₂ gibi bir molekül vermesi beklenirdi. Kararlı molekül ise CH₄'tür ve dört C–H bağının uzunluğu da koparılması için gereken enerji de aynıdır. Tolga'nın klorometan gözlemi aynı eşitliğin kimyasal tanığıdır.

Uyarılma: dört tek elektron

Çelişkinin ilk yarısını uyarılma çözer. 2s orbitalindeki elektronlardan biri boş 2p orbitaline geçer ve dizilim 2s¹ 2p³ olur; artık dört orbitalde birer tek elektron vardır. Bu geçiş enerji ister, ama karbon iki yerine dört bağ kurduğunda açığa çıkan enerji bu bedeli fazlasıyla öder.

Uyarılma bağların sayısını açıklar, eşliğini açıklamaz. Dört tek elektronun biri s, üçü p orbitalinde oturuyor; bu orbitallerle doğrudan kurulan bağlardan biri ötekilerden farklı olurdu. Şeyma'nın itirazı tam burada haklıdır ve cevap ikinci adımdadır.

Hibrit orbital: karışıp eşitlenen orbitaller

Bağ kurulurken merkez atomun değerlik orbitalleri karışır ve aynı sayıda yeni orbital oluşturur. Bu karışmaya hibritleşme, oluşan orbitallere hibrit orbital denir. Birkaç kural onu belirler:

• Kaç atom orbitali karışırsa o kadar hibrit orbital çıkar; orbital sayısı korunur.
• Hibritlerin enerjisi karışan s ile p orbitallerinin enerjileri arasındadır ve hepsi birbirine eşittir.
• Adı karışan orbitallerden gelir; üst simge karışmaya katılan p orbitali sayısını gösterir. Bir s ile üç p karışırsa dört sp³ orbitali oluşur.
• Hibrit orbitalin bir lobu büyük, öteki küçüktür. Büyük lob komşu atoma yöneldiği için örtüşme saf s ya da p orbitaline göre daha etkilidir.
• Hidrojen bağını 1s orbitaliyle kurar; tek orbitali olan atomda karışacak bir şey yoktur.

sp³: dört eş orbital

Metanda karbonun 2s orbitali ile üç 2p orbitali karışır ve her birinde bir elektron bulunan dört sp³ orbitali doğar. Her biri bir hidrojenin 1s orbitaliyle örtüşür. Dört bağ aynı türden orbitallerle kurulduğu için özdeştir; Şeyma'nın setindeki dört eş delik bu yüzden doğrudur. Etanda (CH₃–CH₃) iki karbon da sp³'tür ve karbonları birleştiren bağ iki sp³ orbitalinin örtüşmesidir.

sp³ karbona özgü değildir. Amonyakta azot (2s² 2p³) dört sp³ orbitali kurar: üçü birer elektronla hidrojenlere bağlanır, dördüncüsünü ortaklanmamış bir elektron çifti doldurur. Suda oksijenin (2s² 2p⁴) dört sp³ orbitalinden ikisi bağ yapar, ikisinde ortaklanmamış çift durur. Metan dört, amonyak üç, su iki bağ taşır; merkez atomun çevresindeki elektron bölgesi ise üçünde de dörttür.

sp²: üç hibrit, bir p

Etilende (CH₂=CH₂) her karbonun üç komşusu vardır: iki hidrojen ve öbür karbon. Karbon 2s ile iki 2p orbitalini karıştırır ve üç sp² orbitali kurar; üçüncü 2p karışmaya katılmaz, bir elektronuyla olduğu gibi kalır. sp² orbitalleri iki C–H bağını ve karbonlar arasındaki birinci bağı kurar. İki karbonun hibritleşmemiş p orbitalleri ise yan yana örtüşerek ikili bağın ikinci yarısını oluşturur.

Bor triflorürde (BF₃) aynı hibrit başka bir yoldan çıkar. ₅B atomunun değerlik dizilimi 2s² 2p¹'dir; uyarılmayla 2s¹ 2p² olur, üç orbital karışıp tek elektronlu üç sp² orbitali verir ve üç flor bağlanır. Karışmaya katılmayan p orbitali bu kez boştur. Borun çevresinde yalnız altı elektron bulunması «Lewis yapıları» dersindeki oktet istisnasının orbital karşılığıdır.

sp: iki hibrit, iki p

Asetilende (HC≡CH) her karbonun iki komşusu vardır: bir hidrojen ve öbür karbon. 2s ile tek bir 2p karışır, iki sp orbitali oluşur ve iki 2p hibritsiz kalır. sp orbitalleri C–H bağını ve karbonlar arasındaki ilk bağı kurar; iki çift p orbitali yan yana örtüşerek üçlü bağın kalan iki bağını oluşturur.

Karbon dioksitte (O=C=O) karbonun komşuları iki oksijendir. İki ikili bağ taşısa da karbonun çevresinde iki bölge vardır ve hibriti sp'dir. Berilyumun gaz hâlindeki BeH₂ ve BeCl₂ moleküllerinde ₄Be (2s²) uyarılarak 2s¹ 2p¹ dizilimine geçer ve iki sp orbitali kurar; iki bağ vardır, ortaklanmamış çift yoktur. Berilyum klorür katı hâlde zincirli bir yapıya geçtiği için bu sayım yalnız gaz molekülü için geçerlidir.

σ ve π: örtüşmenin iki biçimi

Bağın türünü orbitallerin hangi doğrultuda örtüştüğü belirler. İki çekirdeği birleştiren eksen üzerinde, uç uca örtüşmeyle kurulan bağa sigma (σ) bağı denir. Hibrit orbitaller ve s orbitalleri yalnız bu yolla bağlanır; iki atom arasındaki ilk bağ her zaman σ'dır. Hibritleşmemiş p orbitallerinin eksene paralel durup yan yana örtüşmesiyle kurulan bağa pi (π) bağı denir; elektron yoğunluğu eksenin üstünde ve altında toplanır. π bağı ancak aynı iki atom arasında bir σ bağı kurulduktan sonra oluşabilir.

Yan yana örtüşme uç uca örtüşmeden daha az etkilidir, bu yüzden tek bir π bağı tek bir σ bağından zayıftır. Yine de bağ sayısı arttıkça iki çekirdek arasında paylaşılan elektron artar ve atomlar birbirine yaklaşır. Uzunlukta sıralama C≡C < C=C < C–C olur; sağlamlıkta sıra tersine döner, en sağlamı üçlü bağdır. İkili bağ tekli bağdan sağlamdır ama onun iki katı kadar değil, çünkü eklenen π payı σ'dan küçüktür.

Bir molekülde σ ve π sayımı

Yöntem iki adımlıdır. Önce yarı açık formülde birbirine bağlı her atom çiftini bulun; her çift tam bir σ getirir. Sonra çoklu bağlara bakın: her ikili bağ bir, her üçlü bağ iki π ekler. Halka içermeyen bir molekülde σ sayısı atom sayısının bir eksiğine eşittir; bu, sayımı denetlemenin hızlı yoludur.

Propen (CH₂=CH–CH₃) altı C–H ve iki C–C bağı taşır: 8 σ ve 1 π. Propin (HC≡C–CH₃) dört C–H ve iki C–C bağıyla 6 σ ve 2 π içerir. Akrilonitrilde (CH₂=CH–C≡N) üç C–H, bir C=C, bir C–C ve bir C≡N bulunur: 6 σ ve 3 π. Üçünde de atom sayısı σ sayısından bir fazladır. En sık hata ikili bağı iki σ, üçlü bağı üç σ diye saymaktır.

Hibrit türünü bölge sayısından okumak

Bir atomun hibritini bulmak için çevresindeki elektron bölgelerini sayın: bağ yaptığı atom sayısı ile ortaklanmamış çift sayısının toplamı. Bağın tekli, ikili ya da üçlü olması bölge sayısını değiştirmez; bir komşu bir bölgedir.

Karbon organik bileşiklerde ortaklanmamış çift taşımadığı için kısa yol vardır: yalnız tekli bağ yapan karbon sp³, bir ikili bağ yapan sp², bir üçlü bağ ya da iki ikili bağ yapan sp'dir. Karbonun hibritsiz p sayısı, o karbonun katıldığı π bağı sayısına eşittir. Propende karbonlar soldan sağa sp², sp², sp³; propinde sp, sp, sp³; akrilonitrilde sp², sp², sp hibritleşmesi yapar. Akrilonitrilin azotu tek bir atoma bağlıdır ve bir ortaklanmamış çift taşır; iki bölgesiyle o da sp'dir.

Hibritten biçime

Hibrit orbitaller uzayda belirli doğrultulara yönelir ve bu doğrultular molekülün biçimini kurar. Metanın karbonu da amonyağın azotu da sp³'tür; yine de metandaki dört hidrojen bir dörtyüzlünün köşelerine otururken amonyağın üç hidrojeni, dördüncü köşeyi ortaklanmamış çifte bırakıp bir piramidin tabanını çizer. Elektron bölgelerinin aralarındaki itmeyi en aza indirecek düzene nasıl geçtiğini anlatan VSEPR modelini ve ortaklanmamış çiftin bağ açılarını neden daralttığını «Molekül geometrisi» dersi ele alıyor.

Örnek 1 — Metan karbonunun dört bağı

Soru: Metan (CH₄) molekülündeki karbon atomu için hangisi doğrudur?

• A) Temel hâldeki iki yarı dolu orbitaliyle iki bağ, boş orbitaliyle iki bağ kurar.
• B) Bir bağını 2s, üç bağını 2p orbitalleriyle kurduğu için bağlardan biri farklıdır.
• C) Uyarılıp 2s¹ 2p³ dizilimine geçer; dört orbitali karışarak dört eş sp³ orbitali oluşturur.
• D) 2s ile iki 2p orbitalini karıştırır, bir p orbitali hibritsiz kalır.
• E) Dört bağdan ikisi σ, ikisi π bağıdır.

Çözüm: Temel hâlde yalnız iki tek elektron vardır; dört bağ için bir 2s elektronu boş 2p'ye geçer. Ardından 2s ve üç 2p orbitali karışır ve özdeş dört sp³ orbitali verir; dört C–H bağı bu yüzden eştir. B seçeneği Şeyma'nın kancadaki yanılgısıdır, D seçeneği sp² karbonunu anlatır. Metanda yalnız tekli bağ vardır, dolayısıyla bütün bağlar σ'dır. Cevap: C.

Örnek 2 — Sirkenin asidinde bağ sayımı

Soru: Asetik asidin yarı açık formülü CH₃–COOH'tır; ikinci karbon bir oksijene ikili bağla, öteki oksijene tekli bağla bağlıdır ve hidrojen bu ikinci oksijene bağlıdır. Moleküldeki σ ve π bağı sayıları hangisidir?

• A) 8 σ ve 0 π
• B) 6 σ ve 1 π
• C) 8 σ ve 1 π
• D) 7 σ ve 1 π
• E) 7 σ ve 2 π

Çözüm: Bağlı atom çiftlerini sayalım: üç C–H, bir C–C, bir C=O, bir C–O ve bir O–H; toplam yedi çift, yani 7 σ. Tek ikili bağ bir π getirir. Denetim: molekülde iki C, dört H ve iki O olmak üzere sekiz atom vardır, halka yoktur, σ sayısı 8 − 1 = 7 tutar. A ve C seçenekleri ikili bağı iki σ saymaktan gelir. Cevap: D.

Örnek 3 — Zincirde her karbonun hibriti

Soru: Beş karbonlu CH₃–CH=CH–C≡CH zincirindeki karbonlar hibrit türlerine göre gruplanırsa hangi dağılım çıkar?

• A) bir sp³, iki sp², iki sp
• B) iki sp³, iki sp², bir sp
• C) bir sp³, üç sp², bir sp
• D) sp³ yok, iki sp², üç sp
• E) bir sp³, bir sp², üç sp

Çözüm: Karbonları soldan numaralayalım. Birinci karbon yalnız tekli bağ yapar: sp³. İkinci ve üçüncü karbon aralarındaki ikili bağı paylaşır: ikisi de sp². Dördüncü ve beşinci karbon üçlü bağın uçlarıdır: ikisi de sp. Üçüncü karbonun sağındaki tekli bağ onun hibritini değiştirmez, çünkü bir ikili bağ zaten üç bölge demektir. B seçeneği ikili bağın yalnız bir ucunu sp² sayar. Cevap: A.

Örnek 4 — Aynı bağ sayısı, farklı hibrit

Soru: BF₃ ve NH₃ moleküllerinin her birinde merkez atom üç atomla bağ yapar. Merkez atomların hibrit türleri sırasıyla hangisidir?

• A) sp² ve sp²
• B) sp³ ve sp³
• C) sp² ve sp
• D) sp³ ve sp²
• E) sp² ve sp³

Çözüm: Bor üç bağ yapar ve ortaklanmamış çift taşımaz: üç bölge, sp². Azot üç bağa ek olarak bir ortaklanmamış çift taşır: dört bölge, sp³. Yalnız bağlı atomları sayan öğrenci ikisine de sp² der ve A'yı seçer; ortaklanmamış çift bir bölge sayılmalıdır. Cevap: E.

• Metandaki bağlardan birini farklı sanmak. Karbon bağ kurarken saf 2s ve 2p ile değil, onların karışımı olan dört eş sp³ orbitaliyle bağlanır; dört C–H bağı özdeştir.
• İkili bağı iki σ, üçlü bağı üç σ saymak. İki atom arasında her zaman tek bir σ vardır; fazlası π'dir. Halka içermeyen molekülde σ sayısı atom sayısının bir eksiği olmalıdır.
• Hibriti bağ sayısından okumak. Bölge sayısı bağlı atomlarla ortaklanmamış çiftlerin toplamıdır; NH₃ ve H₂O üç ya da iki bağa rağmen sp³'tür. Ters yönde, CO₂ karbonu dört bağ yapsa da iki bölgeyle sp'dir.
• İkili bağın yalnız bir ucunu sp² saymak. Çoklu bağ iki karbonu birden ilgilendirir; ikili bağın iki ucu da sp², üçlü bağın iki ucu da sp'dir.
• Bağ uzunluğu ile sağlamlığı aynı yönde sıralamak. Üçlü bağ en kısa ve en sağlam, tekli bağ en uzun ve en zayıftır; ikili bağ da tekli bağın iki katı sağlam değildir.