Molekül geometrisi

Yunus, küçük kardeşinin doğum günü için salonu süslüyordu; balonları dörder dörder düğümlerinden birbirine bağlayıp tavana asacaktı. Masada açık duran kimya defterine o sabah bir not düşmüştü: «Lewis yapısında suyu H–O–H diye düz çizdik. Demek ki su da CO₂ gibi doğrusal; iki ucu aynıysa apolar olması gerekir.» Balon pompasını tutan Uygar notu okuyunca elindeki dörtlü demeti masaya bıraktı. Demet bir türlü yassı durmadı: üç balon masaya yaslanınca dördüncüsü tavana doğru dikildi, nasıl çevrilirse çevrilsin balonlar birbirinden uzaklaşacak biçimde açıldı. «Oksijenin çevresinde de dört elektron çifti var,» dedi Uygar, «ikisi bağ, ikisi ortaklanmamış çift. Hidrojenleri hangi iki balonun ucuna koyarsın?» Yunus iki balonun ucunu tutup aralarına baktı; açı düz bir çizgiye hiç benzemiyordu. Kâğıttaki çizgi molekülün biçimini vermiyorsa, o biçimi ne belirliyor?

• Bir Lewis yapısında merkez atomu kuşatan bölgeleri, çoklu bağı tek bölge sayarak bulursun.
• Bölge sayısı ile ortaklanmamış çift sayısından molekülün geometrisini ve yaklaşık bağ açısını çıkarırsın.
• Ortaklanmamış çiftin bağ açısını neden daralttığını açıklar, CH₄, NH₃ ve H₂O açılarını sıralarsın.
• Bağların polarlığını geometriyle birleştirerek bir molekülün polar mı apolar mı olduğuna karar verirsin.

Kâğıt düzdür, molekül değil

TYT'deki «Lewis yapıları» dersi bir molekülde hangi atomun hangisine bağlandığını ve her atomda kaç ortaklanmamış çift kaldığını gösterdi. O çizim kâğıda yapılır ve kâğıt iki boyutludur: metanı bir artı işaretinin uçlarına dört hidrojen koyarak çizeriz, suyu da H–O–H diye bir çizgiye dizeriz. Çizimin söylediği bağlantıdır; açılar hakkında bir şey söylemez. Gerçek molekül üç boyutludur ve atomların uzaydaki yerleşimine molekül geometrisi denir. Kaynama noktasından çözünürlüğe, bir molekülün polar olup olmamasından organik moleküllerin tepkimelerine kadar pek çok özellik bu yerleşimden çıkar.

İtişen elektron grupları

Geometriyi tahmin etmenin lise düzeyindeki yolu VSEPR modelidir; adı İngilizce «değerlik katmanı elektron çifti itmesi» ifadesinin baş harflerinden gelir. Fikir basittir: merkez atomun çevresindeki elektron grupları eksi yüklüdür, birbirini iter ve itmenin en az olduğu düzene, yani birbirinden olabildiğince uzak konumlara yerleşir. Kancadaki balonlar bu düşüncenin elle tutulur bir modelidir: düğümde birleşen balonlar da birbirine yer açacak biçimde dağılır.

Burada itişen birimler, «Hibritleşme» dersinde hibrit türünü bulmak için toplanan elektron bölgeleridir. VSEPR'de bu sayım baş roldedir ve iki kurala dayanır:

• Merkeze tutunan her atom tek bölgedir. Aradaki bağ kaç çiftten oluşursa oluşsun sonuç değişmez; ikili bağın iki çifti aynı iki çekirdek arasında, aynı doğrultuda toplanır.
• Merkezde kalan her ortaklanmamış çift de bir bölgedir.

Ders kitaplarında bu sayım AXₙEₘ biçiminde de yazılır: A merkez atom, n bağlı atom sayısı, m merkez atomdaki ortaklanmamış çift sayısıdır. Suda oksijen iki hidrojene bağlıdır ve iki ortaklanmamış çifti vardır: AX₂E₂, toplam dört bölge.

Üç temel düzen

Bölge sayısı, bölgelerin uzaydaki düzenini belirler. Ortaklanmamış çift yokken bu düzen doğrudan molekülün geometrisidir:

İki bölge merkezin iki zıt yanına geçer. Üç bölge bir düzlemde eşkenar üçgenin köşelerine yönelir. Dört bölge düzlemde kalırsa aralarında 90° olurdu, oysa uzaya açıldıklarında açı 109,5°'ye çıkar; bu yüzden metan bir artı işareti değil, merkezinde karbon bulunan bir dörtyüzlüdür (tetrahedron). Beş ve altı bölgeli düzenler (PCl₅, SF₆ gibi) MEB müfredatının kapsamı dışındadır.

Ortaklanmamış çift: görünmeyen köşe

Amonyak ve su da dört bölgelidir; bölgeleri dörtyüzlünün köşelerine yönelir. Ama geometri adlandırılırken yalnız atomların konumuna bakılır, ortaklanmamış çift bir köşeyi doldurur ama molekülün biçimine ad vermez. NH₃'ün azotu üç hidrojen taşır; değerlik elektronlarından artan ikisi azotta tek bir çift olarak kalır (AX₃E). Dört köşeden üçünde hidrojen bulunur, tepedeki köşeyi çift tutar; atomlar tabanı üçgen olan bir piramit çizer: üçgen piramit. H₂O'da (AX₂E₂) dört köşenin yalnız ikisinde hidrojen vardır; üç atom bir açı yapar ve geometriye açısal ya da kırık doğru denir. Yunus'un H–O–H çizgisi bu yüzden yanıltıcıdır: oksijenin iki ortaklanmamış çifti hidrojenlerin 180° açıyla durmasına izin vermez.

Açılar neden daralır?

Metan, amonyak ve su için verilen açılar ölçümlerden bilinen, genel kabul görmüş yaklaşık değerlerdir: 109,5°, yaklaşık 107° ve yaklaşık 104,5°. Üç molekülde de dört bölge bulunduğu hâlde açının küçülmesi ortaklanmamış çiftin davranışından gelir. Bağlayıcı çift iki çekirdek arasında gerilmiş durur; ortaklanmamış çift ise yalnız merkez atoma bağlıdır, çekirdeğe daha yakın ve daha geniş bir yer kaplar. Bu yüzden itme gücü sırası şöyledir: iki ortaklanmamış çift arasındaki itme en büyük, ortaklanmamış çift ile bağlayıcı çift arasındaki itme ortada, iki bağlayıcı çift arasındaki itme en küçüktür. Merkezdeki ortaklanmamış çift sayısı arttıkça bağlar biraz daha sıkışır ve H–X–H açısı daralır. Açıyı ezberlemek yerine bu sırayı akılda tutmak, sınavda «hangisinin bağ açısı en küçüktür» türündeki karşılaştırmaları tek bakışta çözer.

Çoklu bağ tek bölgedir

Bölge sayımının en çok hata yapılan yeri çoklu bağlardır. CO₂'nin karbonu her oksijene ikişer çiftle bağlanır ve üzerinde çift kalmaz. Bağ çiftleri tek tek sayılırsa dört çıkar ve molekül dörtyüzlü sanılır; doğru sayım iki bölgedir ve CO₂ doğrusaldır. Hidrojen siyanürde (H–C≡N) karbon bir tekli, bir üçlü bağ yapar: yine iki bölge, yine doğrusal. Metanalde (formaldehit, H₂C=O) karbonun komşuları iki hidrojen ile ikili bağlı oksijendir: üç bölge, düzlem üçgen, açılar yaklaşık 120°.

Organik moleküllerde her karbon kendi çevresine göre ayrıca değerlendirilir. Etende (CH₂=CH₂) iki karbonun da üç bölgesi vardır ve molekülün altı atomu aynı düzlemde durur. Etinde (HC≡CH) karbonların ikişer bölgesi vardır ve dört atom tek bir doğru üzerine dizilir. Etanda her karbon dört atoma bağlıdır ve dörtyüzlü bir merkez oluşturur. Aynı mantık oksijene de uygulanır: metanolde (CH₃OH) C–O–H üçlüsü, oksijenin iki ortaklanmamış çifti yüzünden suyunkine benzer bir açı yapar.

Hibrit etiketi ile molekülün biçimi

«Hibritleşme» dersindeki sp, sp² ve sp³ etiketleri, bu dersteki üç temel düzenin orbital dilindeki karşılığıdır: sp merkez doğrusal, sp² merkez düzlem üçgen, sp³ merkez dörtyüzlü bir düzen kurar. Etiket bölgelerin düzenini söyler, molekülün adını söylemez. Metan, amonyak ve suyun merkez atomları aynı sp³ etiketini taşır; ortaklanmamış çiftler çıkarılıp yalnız atomlara bakıldığında biri dörtyüzlü, biri üçgen piramit, biri açısal çıkar. Sınavda «sp³ ise dörtyüzlüdür» diye kestirip atmak bu yüzden riskli bir kısayoldur.

Polar bağdan polar moleküle

TYT'de «Kovalent bağ» dersi, elektronegatifliği farklı iki atom arasındaki bağın polar olduğunu, elektronların daha elektronegatif atoma doğru kaydığını göstermişti. Bir molekülün bütünüyle polar olup olmadığı ise iki şeye bağlıdır: bağların polarlığına ve bu bağların uzaydaki yerleşimine. Her polar bağ, elektronların kaydığı yöne bakan bir ok gibi düşünülebilir. Oklar birbirini tam olarak dengeliyorsa molekülün bir ucu ötekinden daha eksi olmaz ve molekül apolar olur; dengelemiyorsa molekül polardır.

CO₂'nin iki C=O bağı polardır, ama 180° açıyla zıt yönlere baktıkları için birbirini sıfırlar: CO₂ apolardır. Sudaki iki O–H bağı da polardır; açısal yerleşimde ikisi de oksijen tarafını eksi yapar ve etkileri toplanır: H₂O polardır. CCl₄'te dört C–Cl bağı düzgün dörtyüzlünün köşelerine bakar ve bileşkesi sıfırdır: apolar. Bir klor yerine hidrojen gelince (CHCl₃) dörtyüzlü artık düzgün değildir, bağlardan biri ötekilerden çok farklı çeker ve molekül polar olur. BF₃ düzlem üçgen ve apolar, NH₃ ise ortaklanmamış çifti nedeniyle piramit ve polardır.

Sınavda işe yarayan kestirme şudur: merkez atomda ortaklanmamış çift yoksa ve merkeze bağlı atomların hepsi aynıysa molekül apolardır. Bu iki koşuldan biri bozulduğunda, bağlar polar olduğu sürece molekül polardır. Bu sonuç «Van der Waals etkileşimleri» dersindeki tabloya doğrudan girer: polar moleküller arasında dipol–dipol etkileşimi bulunur, apolar moleküller arasında yalnız London kuvvetleri. Suyun polar olması, onu apolar yağdan ayıran ve tuzu çözmesini sağlayan özelliktir.

Sıradaki adım: formülü bulmak

Bu dersteki her soru, molekülde hangi atomdan kaç tane bulunduğu bilinerek kuruldu; merkez atomu seçmek ve komşuları saymak ancak böyle mümkündü. Laboratuvara yeni gelen bir madde bu bilgiyi hazır getirmez. Analiz numunedeki elementlerin kütlece paylarını ölçer; bu paylar atomların kaç tane olduğunu değil, birbirine oranını söyler ve aynı orana birden çok molekül uyabilir. Oranı veren basit (kaba) formül ile sayıyı veren molekül formülünün nasıl ayrıldığını, ikincisine geçmek için hangi ek bilginin gerektiğini sıradaki «Kaba ve basit formül» dersi ele alıyor.

Örnek 1 — Aynı formül tipi, iki ayrı biçim

Soru: Merkez atomlarına üçer atom tutunan BF₃ ile NH₃ için geometri ve polarlık bakımından hangisi doğrudur? (Atom numaraları ₅B, ₇N, ₉F, ₁H.)

• A) İkisi de düzlem üçgendir ve apolardır.
• B) BF₃ düzlem üçgen ve apolar, NH₃ üçgen piramit ve polardır.
• C) BF₃ üçgen piramit ve polar, NH₃ düzlem üçgen ve apolardır.
• D) İkisi de üçgen piramittir ve polardır.
• E) BF₃ düzgün dörtyüzlü, NH₃ düzlem üçgendir.

Çözüm: Bor elindeki üç değerlik elektronunun hepsini B–F bağlarına verir ve üzerinde çift kalmaz. Üç bölge düzlem üçgen verir ve üç özdeş B–F bağı birbirini dengeler. Azotun beş değerlik elektronundan üçü bağa gider, kalan ikisi bir ortaklanmamış çift oluşturur. Dört bölge dörtyüzlü düzene yönelir, atomlar üçgen piramit çizer; çift tepede durduğu için bağların etkisi dengelenmez. A seçeneği formülün «AX₃» kısmına bakıp çifti saymamaktan gelir. Cevap: B.

Örnek 2 — İkili bağı doğru saymak

Soru: Metanal (H₂C=O) molekülünde karbonu kuşatan bölge sayısı, molekülün geometrisi ve polarlığı hangisidir?

• A) 4 bölge; düzgün dörtyüzlü; apolar
• B) 3 bölge; üçgen piramit; polar
• C) 4 bölge; açısal; polar
• D) 3 bölge; düzlem üçgen; polar
• E) 2 bölge; doğrusal; apolar

Çözüm: Karbona üç atom bağlıdır; ikili bağ tek bölge sayılır ve karbonun dört değerlik elektronu dört bağ çizgisine harcandığı için ortaklanmamış çifti yoktur. Üç bölge, çiftsiz merkez: düzlem üçgen. Karbona bağlı atomlar özdeş değildir (iki H, bir O), C=O bağı da C–H bağlarından çok daha polardır; bileşke sıfır olmaz. A seçeneği ikili bağın iki çiftini ayrı bölge saymaktan çıkar. Cevap: D.

Örnek 3 — Klorlu metanlar

Soru: CH₄, CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ ve CCl₄ dizisi için hangisi doğrudur?

• A) Beşinde de merkez karbonun dört bölgesi vardır; yalnız CH₄ ile CCl₄ apolardır.
• B) Yalnız CCl₄ apolardır, çünkü C–H bağı yoktur.
• C) Klor sayısı arttıkça molekül daha polar olur; CCl₄ en polar olandır.
• D) Merkez karbonda bir ortaklanmamış çift bulunduğu için CH₃Cl polardır.
• E) Beşi de polardır, çünkü hepsinde polar bağ vardır.

Çözüm: Merkezdeki karbon dört komşusuna bağlanır, üzerinde çift kalmaz; beşinde de dört bölge, dörtyüzlü bir düzen bulunur. Merkeze bağlı dört atom yalnız CH₄'te (dört H) ve CCl₄'te (dört Cl) aynıdır; bu ikisinde bağlar birbirini dengeler. Karışık atomlu üçünde dörtyüzlü düzgün değildir ve molekül polardır. C seçeneği polar bağ sayısını polarlıkla karıştırır; E simetriyi hesaba katmaz. Cevap: A.

Örnek 4 — Bir molekülde üç merkez

Soru: Asetik asidin (CH₃–COOH) yapısında CH₃ karbonu, karboksil karbonu (bir O'ya ikili, ötekine tekli bağlı) ve OH oksijeni sırasıyla ele alınıyor. Bu üç atomun çevresindeki geometri hangisidir?

• A) düzlem üçgen, düzlem üçgen, doğrusal
• B) dörtyüzlü, dörtyüzlü, açısal
• C) dörtyüzlü, düzlem üçgen, açısal
• D) dörtyüzlü, düzlem üçgen, doğrusal
• E) düzlem üçgen, dörtyüzlü, açısal

Çözüm: CH₃ karbonu üç H ve bir C'ye bağlıdır: dört bölge, dörtyüzlü. Karboksil karbonu bir C'ye, ikili bağla bir O'ya ve tekli bağla OH'ye bağlıdır: üç bölge, düzlem üçgen. OH oksijeni C ve H'ye bağlıdır, iki ortaklanmamış çifti vardır: dört bölge, açısal (suyunkine benzer). D seçeneği oksijenin ortaklanmamış çiftlerini unutur; B ikili bağı iki bölge sayar. Cevap: C.

• Lewis çizimindeki açıyı gerçek açı sanmak. H–O–H düz yazılır ama su açısaldır; metan artı işaretiyle çizilir ama 90° değil 109,5° açılıdır. Çizim bağlantıyı gösterir, açıyı göstermez.
• Çoklu bağın her çiftini ayrı bölge saymak. CO₂'de karbonun çevresinde dört bağ çifti vardır ama iki bölge vardır; molekül doğrusaldır, dörtyüzlü değil.
• Ortaklanmamış çifti unutmak ya da geometrinin adına katmak. NH₃ «AX₃» olduğu için düzlem üçgen sanılır; çift sayılmalı ama geometri adı yalnız atomlardan verilmelidir: üçgen piramit.
• «Polar bağ varsa molekül polardır» demek. CO₂, BF₃ ve CCl₄'te bütün bağlar polardır, simetri yüzünden molekül apolardır.
• «Doğrusal molekül apolardır» ezberi. HCN doğrusaldır ama iki ucu farklı atomdur; bileşke sıfır olmaz ve molekül polardır.
• Hibrit türünden doğrudan geometri adı okumak. sp³ merkez dörtyüzlü düzen demektir; ortaklanmamış çift varsa molekül üçgen piramit ya da açısal olur.