12. Sınıf Lewis Formülleri, Sigma ve Pi Bağları — Konu Anlatımı

Üçlü Bağ, Üç Tek Bağın Toplamı mı?

Soluduğumuz havanın yaklaşık %78'i azottur ($\mathrm{N_2}$). Her nefeste akciğerimize giren azot hiçbir şeye dönüşmeden geri çıkar. Bitkiler de bu devasa azot deposundan doğrudan yararlanamaz; ancak toprak bakterileri ya da yıldırım gibi yüksek enerjili olaylar onu kırabilir. Bu kadar isteksizlik nereden geliyor?

Cevap iki azot atomu arasındaki üçlü bağda. Burada öğrencilerin çoğu şöyle düşünür: "Tek bağ C–C yaklaşık 348 kJ/mol ise üçlü bağ bunun üç katı olmalı." Ölçüm başka bir şey söylüyor:

Üçlü bağ 3 × 348 = 1044 değil, yaklaşık 839 kJ/mol. Demek ki bağların hepsi aynı cins değil: ilk bağ ile sonradan eklenenler farklı yoldan kuruluyor. Bu farkı görmek için önce bağı kağıda doğru çizmeyi öğrenelim.

Lewis Yapısı: Elektron Bütçesiyle Çizim

Lewis gösteriminde yalnız değerlik elektronları (en dış katmandaki elektronlar) nokta ya da çizgiyle gösterilir; iç katmanlar bağa katılmadığı için çizilmez. Atomlar genellikle son katmanlarını 8 elektrona tamamlamaya çalışır (oktet kuralı); hidrojen için bu sayı 2'dir (dublet).

Çizimi bir bütçe gibi düşünün:

1. Toplam değerlik elektronunu say. İyonsa: negatif yük kadar ekle, pozitif yük kadar çıkar.
2. İskeleti kur (merkezde genellikle en az elektronegatif atom, H hiçbir zaman merkezde olmaz), tek bağları çiz.
3. Kalan elektronları önce dıştaki atomların oktetini tamamlayacak biçimde çift çift dağıt.
4. Merkez atomun okteti eksikse dış atomdaki bir ortaklanmamış çifti bağa çevir (çift ya da üçlü bağ).

$\mathrm{N_2}$: 2 × 5 = 10 elektron. Tek bağ 2 elektron harcar, 8 kalır. Her azota 3 çift verirsek biri 8'e, öteki 6'ya ulaşır. Çiftleri bağa çevire çevire ilerleyince her iki azot da oktetine yalnız :N≡N: yapısında ulaşır: bir üçlü bağ ve her azotta birer ortaklanmamış çift.

$\mathrm{CO_2}$: 4 + 2 × 6 = 16 elektron. Sonuç O=C=O; her oksijende iki ortaklanmamış çift. $\mathrm{HCN}$: 1 + 4 + 5 = 10 elektron; H–C≡N:, azotta bir çift.

Formal yük birden çok çizim mümkün olduğunda hakemdir: $\text{FY} = (\text{değerlik e}^-) - (\text{ortaklanmamış e}^-) - (\text{bağ sayısı})$. $\mathrm{CO_2}$'de karbon için $4 - 0 - 4 = 0$, her oksijen için $6 - 4 - 2 = 0$; bütün yüklerin sıfır olduğu bu çizim en uygun olanıdır.

Koordine kovalent bağ: $\mathrm{NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+}$ tepkimesinde bağ elektron çiftinin ikisi de azottan gelir. Oluştuktan sonra dört N–H bağı birbirinden ayırt edilemez. Amonyum iyonunun bütçesi: 5 + 4 − 1 = 8 elektron, dört bağ.

Baş Başa ve Yan Yana: Sigma ile Pi

İki atom yaklaşırken orbitalleri önce çekirdekleri birleştiren eksen üzerinde, baş başa örtüşür. Bu sigma (σ) bağıdır; örtüşme büyük olduğu için güçlüdür ve eksen etrafında simetriktir, bu yüzden bağ çevresinde dönme serbesttir.

Eksen dolduktan sonra kalan p orbitalleri ancak yan yana, eksenin altında ve üstünde örtüşebilir: pi (π) bağı. Örtüşme küçüktür, bağ zayıftır; ayrıca iki p orbitalinin paralel kalması gerektiği için bağ çevresinde dönme onu koparır. Cis-trans izomerliğin kaynağı budur.

Bu yüzden her bağın ilki sigmadır; sonrakiler pidir. Tablodaki enerjilere dönersek: C=C'deki π bağı yaklaşık 614 − 348 = 266 kJ/mol ekliyor, σ'dan belirgin biçimde zayıf. Buna rağmen bağ sayısı arttıkça bağ hem kısalır hem güçlenir. $\mathrm{N_2}$'deki üçlü bağın enerjisi 945 kJ/mol'e ulaşır; azotun tembelliği buradan gelir.

Çözümlü sayım: Propen ($\mathrm{CH_2{=}CH{-}CH_3}$) kaç σ, kaç π bağı içerir? 6 C–H bağı (6σ) + 1 C–C tek bağı (1σ) + 1 C=C (1σ + 1π) = 8σ, 1π.

Kısa yol: Halka içermeyen bir molekülde σ bağı sayısı atom sayısının bir eksiğidir, çünkü her atomu iskelete bir σ bağı bağlar. Propen 9 atom, 8σ. Etin ($\mathrm{C_2H_2}$) 4 atom, 3σ; üçlü bağdan 2π. $\mathrm{HCN}$ 3 atom, 2σ, 2π.

Mini soru: $\mathrm{CO_2}$'de kaç π bağı vardır? İki çift bağ, her birinde bir π: toplam 2π ve 2σ.

Oktete Uymayanlar ve Polarlık

Oktet bir eğilimdir, yasa değil. $\mathrm{BF_3}$'te bor yalnız 6 elektronla kalır (boş orbitali olduğu için $\mathrm{NH_3}$'ten elektron çifti kabul edebilir); $\mathrm{PCl_5}$'te fosfor 10 elektron taşır. 3. periyot ve sonrası atomlar okteti aşabilir (genişlemiş oktet); 2. periyot atomları (C, N, O, F) aşamaz, çünkü değerlik katmanlarında yalnız dört orbital vardır.

Bağ polarlığı elektronegatiflik farkından gelir: fark varsa ortak çift daha elektronegatif atoma kayar ve kısmi yükler ($\delta^+$, $\delta^-$) oluşur. Molekül polarlığı ise geometriye bağlıdır:

Basit bir gözlem polarlığı ele verir: büreten akan ince bir su jetine sürtülmüş plastik tarak yaklaştırılırsa jet tarağa doğru bükülür; apolar bir sıvı jeti bükülmez.

Yanılgılar ve Sınavda Dikkat

"Çift bağın enerjisi tek bağın iki katıdır." Değil; eklenen π bağı σ'dan zayıftır. 614 kJ/mol, 2 × 348 = 696'nın altındadır.

"Polar bağı olan molekül polardır." $\mathrm{CO_2}$ ve $\mathrm{CCl_4}$ bunun karşı örneğidir; simetri momentleri götürür.

"Ortaklanmamış çiftleri çizmesem de olur." Olmaz; hem elektron bütçesi tutmaz hem de molekülün geometrisini onlar belirler. $\mathrm{NH_3}$'teki tek çift, molekülü düzlem değil piramit yapar.

AYT ipucu: "Kaç σ, kaç π?" sorusunda önce bütün bağları tek tek sayın, sonra çoklu bağlardan π'yi ayırın. Halkasız moleküllerde "σ = atom sayısı − 1" kontrolü hatayı hemen yakalar. Grafikte bağ enerjisinin bağ sayısıyla artıp artışın yavaşladığını görürseniz sebep, eklenen bağların π olmasıdır.

Sık sorulanlar