BÖLÜM 3 KOVELENT BA - 2 2.KISIM: VALENS BA VE MOLEKÜLER ORB TAL TEOR LER 3. 3 Valens Ba Teorisi (VBT) 3.4 Moleküler Orbital Teori(MOT) 3.4.1 Moleküler Orbitallerin simetrisi 3.5 ki Atomlu Moleküllerde Moleküler orbitaller 3.5.1 Homo nükleer moleküller 3.5.1.1 Moleküler orbitallerin enerji seviyeleri 3.5.1.2 Ba derecesi, 3.5.1.3 Moleküllerde ba uzunlu u, iyonla4ma enerjileri 3.5.1.4 Moleküler Orbital Enerji Düzeylerine Yak7ndan Bak74 3.5.1.5 V B ve MO teorilerinin Kar47la4t7r7lmas7 3.5.2 Hetero nükleer moleküller 3.6.Çok atomlu moleküller 3.6.1 Oktede uyan 3.6.2 Oktede uymayan 3.6.2.1 Oktedi a4an 3.6.2.2 Oktedi tamamlamayan 3.7 Çoklu ba lar 3.7. 1- ;- < tan7m7 3.7.2- muz ba lar7 Kovelent ba -1 k sm nda Lewis’in oktet kural ve lewis yap s , rezonans hibit, VSEPR yakla# m , molekül yap s tahmini ve hibritle#me, hibrit orbital türleri k saca aç klanm #t . Bu bölümde kovalent ba 7n tam olarak anla# lmas n sa layan kuantum mekani i incelenecektir. 3.3.Valens Ba Teorisi (VBT) VBT Lewis ve di erlerinin elektron ortakl na dayanan fikirlerinden do mu#tur. 1927 de Heitler ve London hidrojen molekülüne kuantum mekani ini uygulam #lar. Valens ba yakla# m olarak bilinen bu yöntem daha sonra Pauling ve Slater taraf ndan #öyle geli#tirilmi#tir: 3zole iki hidrojen atomunu =A ve =B dalga fonksiyonlar ile tan mlam #. E er iki atom iyice izole edilmi#se, yani aralar nda etkile#im yoksa iki atomlu sistemin dalga fonksiyonu: = A(1) (3) B(2) #eklinde yaz l r. Burada A ve B atomlar , 1 ve 2 de bu atomlardaki elektronlar gösterir. E er (3) e#itli inin enerjisi çekirdekler aras uzakl n fonksiyonu olarak grafik edilirse (a) e risi elde edilir. E rinin minimumu 90 pm’ ye ve 24 kJ/mol tekabül eder (Grafik 3.1). Atomlar molekül olu#turmak üzere etkile#tiklerinde bireysel =A ve =B fonksiyonlar n n de i#ece ini biliyoruz. Fakat (3) e#itli i ba#lang ç olarak ele al n p geli#tirilebilir. Heitler ve London (3) e#itli inde A daki elektronun B'ye, B deki elektronun da A ya geçebilece ini teklif etmi#tir. Bu durumda: = = =A(1) =B(2) + =A(2) =B(1) (4) (4) e#itli inin e risi (b), enerjisi 303 kJ/mol, mesafe de çok az de i#mi#tir. Ba enerjisindeki bu art # yer de i4im ene7jisi olarak tan7mlan7r Daha ileri bir iyile#tirme yap labilir. E er moleküldeki elektronlardan biri ötekine kar# perdeleme etkisi yapt dü#ünülürse, Z* < Z olacakt r. Bu etki dikkate al nd nda (c) e risi elde edilir. Son olarak molekülsel dalga fonksiyonunda #öyle bir düzeltme yapabiliriz (4) no’lu e#itlikte elektronlar n yer de i#tirebilece ini dü#ünmü#tük. E er bu de i#im tam düzenli de il de düzensiz #ekilde oluyorsa, yani iki elektron k sa bir süre için bir atomda bulunuyorsa bu atom (-) , di eri (+) olacakt r, ya da tersi. Bu durumda molekülde k smen de olsa bir iyonik karakter söz konusudur: H+H- H-H Kovalent H-H+ 3yonik Bu durumda dalga fonksiyonu #öyle olacakt r: = = =A(1) =B(2) + =A(2) =B(1) ------------------------------------Kovalent + @ =A(1) =A(2) + @ =B(1) =B(2) (5) ------------------------------------iyonik E#itlikteki ilk iki terim kovalent yap y , son iki terimde iyonik yap y gösterir. Elektronlar n bir birlerini itmesinden dolay iki elektronun ayn atomda bulunma olas 1 , ayr atomlar da bulunmas ndan daha zor olacakt r. Dolay s ile e#itlik (5) teki son iki terim daha az a rl kl olacakt r. Yani F < 1 olmal d r. Bu e#itlik daha uygun olarak #öyle ifade edilebilir; = ' = = kov + @ H+H- + @H-H+ (6) Bu e#itlikle enerji ve mesafede daha ileri geli#me elde edilir (d e risi) . Çizelge 3.4’de de i#ik yakla# mlar sonucu elde edilen enerji ve ba verilmi#tir. uzunluklar ile deneysel sonuç Çizelge 3.4. VBT yakla# m n n enerji ve denge uzunluklar Dalga fonksiyonu türü Ba enerjikli i J/mol ro (pm ) K = KA(1) KB(2) 24 90 Heitler – London 303 86,9 Perdeleme etkisinin ilavesi 363 74,3 iyonik karekterin ilavesi 388 74,9 Gözlenen de er 4S8 74.1 Grafik 3.1. H2 molekülünün teorik enerji e rileri Bu irdeleme rezonans olay n n bir örne idir. Rezonans, daha önceki konuda incelenmi#ti. Junu belirtmede yarar var; hidrojen molekülünün K ile tan mlanan tek bir dalga fonksiyonu var. Ancak bizim yakla# m m zdan dolay K ' iki veya daha fazla dalga fonksiyonlar n kombinasyonlar olarak yaz lmak zorunda kal nm #t r. Buraya kadar anlat lanlardan ba lanmaya üç olay n katk da bulundu u anla# l r; Elektronlar n delokalize olmas ( elektronlar n da lmas ), k smi perdeleme ve k smi iyonik karakter. Yukar daki aç klamalarda ba elektronlar n z t spinli oldu u kesin olarak kabul edilir. E er iki elektron paralel spinli ise ba lanma olmaz, itme meydana gelir ( f e risi). Bu Pauli prensibinin bir sonucudur. Olu#an her bir ba da e#le#menin gereklili inden dolay , valens ba teori ço u zaman elektron esle#me (birle#me) teorisi olarak tan mlan r. 3.4.Moleküler Orbital Teori (MOT) Moleküllerdeki ba lanmay aç klamak için ikinci bir yakla# m, Moleküler Orbital Teorisi olarak bilinir. Bu yakla# ma göre iki çekirdek ba olu#turmak üzere belirli bir denge uzakl na geldiklerinde, elektronlar moleküler orbitallere yerle#irler. N, O, F gibi sembollerle gösterilen moleküler orbitallere elektronlar n doldurulmas nda, atomik orbitallerde oldu u gibi Pauli ve Hund kurallar geçerlidir. Çe#itli moleküler orbitallerl elde etmek için Schrodiger e#itli inin çözümünde, atomik örbitallerde ( hidrojenden daha a r) kar# la# lan güçlükler burada da kars m za ç kar. Yani tam çözüm yap lamaz. Bu nedenle moleküler orbitaller için dalga fonksiyonu olu#turmak üzere baz yakla# mlar yap lmal d r. Burada çe#itli yakla# mlar aras ndan sadece biri, atomik orbitalerin lineer kombinasyonu ( LCA O) aç klanacakt r. Atomlar n atomik orbitalleri birle#erek do ru moleküler orbitalleri olu#turdu unu dü#ünebiliriz. Elektronlar zamanlar n n ço unu iki çekirdekten birine veya di erine daha yak n geçirecek ve bu çekirdekler taraf ndan kontrol edilecektir. E er böyle ise moleküler orbitaller atomik orbitallere çok benzer olmal d r. Bu nedenle moleküler orbitalleri elde etmek için =A ve =B atomik orbitallerini birle#tiririz =b = =A + =B (7) =a = =A - =B (8) Böylece ba yapan moleküler orbital (=b) ve antiba yapan moleküler orbital (=a) meydana gelir. Örne in, H2+ deki tek elektron ba moleküler orbitaline (=b) girerse molekülün yakla# k dalga fonksiyonu #öyle olur. =b = =A(1) + =B(1) (9) H2 gibi iki elektronlu molekül için toplam dalga fonksiyonu, her iki elektronun dalga fonksiyonun ürünüdür: = = [=A(1) =B(1) ] [ =A(2) =B(2) ] (10) = = =A(1) =A(2) + =B(1) =B(2) (11) + =A(1) =B(2) +=A(2) =B(1) MOT ile elde edilen bu e#itlik VBT ile elde edilen (7) nolu e#itli e benzer. Fark iyonik karekterle (=A(1) =A(2) + =B(1) =B(2) ) kovelent karakterlerin ( =A(1) =B(2) +=A(2) =B(1) ) a rl klar n n e#it olmas d r. Bu, #a# rt c de ildir. Çünkü e#itlik (10) elde ederken elektronlar n itmelerini dikkate almad k. VBT de oldu u gibi, düzeltme terimleri ilave edilerek dalga fonksiyonunu optimize etmek mümkündür. Hidrojen atomu için baz sonuçlar Çizelge 3.5’ de verilmi#tir. Çizelge 3.5. Moleküler Orbital dalga fonksiyonlan için denge uzakl klar ve enerjileri Dalga fonksiyönün türü Enerji (kJ /mol) uzakl k (pm. ) Düzeltilmemi#, = = =A + =B 260 85 Perdeleme etkisinin ilavesi 337 73 Elektron-elektron itme ilavesi 397 71 Gözlenen de er 458.0 74,1 =b ve =a moleküler orbitallerinin birbirinden fark #öyledir: =b de birle#en atomlarn dalga fonksiyonlan çekirdekler aras nda birbirlerini kuvvetlendirir ( Jekil 3.15. a, b). =a tam tersine sönümlerler (Jekil 3.15.d). Ancak bizi hidrojen molekülünde elektronlar n da l m n bulmak ilgilendirdi ine göre, dalga fonksiyonlar n n karesini dü#ünece iz : =b2 = =A2 + 2 =A =B + =B2 (12) =a 2 = =A2 - 2 =A =B + =B2 (13) Cekil 3.15. a) =A =B Hidrojen atomlar n n müstakil dalga fonksiyonlar .b) =b fonks, c) =b2 olas l k fonks, d) =a fonks, e) =a2 antibag olas l k fonksiyonlar Bu iki olas l k fonksiyonunun fark , 2 =A =B teriminin i#aretidir. D=A =B, dt = S olup overlap integrali olarak bilinir. Ba lanma teoreminde S çok önemlidir. Ba moleküler orbitalinde overlap pozitifdir ve elektron yo unlu u çekirdekler aras nda artar. Halbuki antiba moleküler orbitalinde overlap negatiftir ve elektron yo unlu u çekirdekler aras nda azal r (Jekil 3.15.c,e) Birinci halde çekirdekler birbirine kar# perdelenir ve çekirdeklerin elektronlar çekimi artar. Neticede molekülün enerjisi azal r. Bu hal, ba lanma halidir. 3kinci durumda çekirdeklerin çekimi azal r. Bu hal de anti ba lanma halidir. Ju ana kadar moleküler orbitallerin normalizasyonundan bahsetmedik. Normalizasyon bir elektronun uzayda bulunma olas l n n bir olmas d r. D=dt = 1 dir. Buna göre e#itlik (14) #öyle yaz l r: D Nb2=b2 = Nb2 [ D=A2dt + D =B2 dt + 2 D =A=B dt ] =1 (14) Burada Nb: Normalizasyon katsay s d r. E er D =A=B dt = S overlap integral de erini yerine korsak; D Nb2=b2 = Nb2 [ D=A2dt + D =B2 dt + 2 S] =1 (15) e#itli ini elde ederiz. Öte taraftan atomik dalga fonksiyonlan =A ve =B daha önceden normalize olmu#tur. O halde D=A2dt ve D =B2dt nin her biri bire e#ittir. Bu nedenle Nb2 = 1 2 + 2S (16) Nb = Na = 1 2 + 2S (17) ve 1 (18) 2 2S e#itlikleri elde edilir. Overlap integrali S ' in say sal de eri çok küçük oldu undan, basit hesaplamalar için ihmal edilebilir. Bu durumda moleküler dalga fonksiyonlar #öyle olur: Kb = Ka = 1 2 1 2 ( KA + KB ) (19) (KA - KB ) (20) Moleküler orbitallerin ba l enerjileri ( overlap integrali ihmal edilerek) Jekil 3.16. de gösterilmi#tir. Ba moleküler orbitalinin enerjisi, izole atomik orbitalinkinden EEc kadar azalarak daha kararl olurken, antiba moleküler orbitalinin enerjisi ayn miktar yükselerek daha karars z olmu#tur. EEc ‘ye de i4im enerjisi denir. Jekil 3.16. H2 molekülünün moleküler orbital enerji düzeyleri Simetri ve Overlap D=A =B dt = S overlap (örtü#me) integrali, S nin say sal de eri çok önemlidir: S > O ba lanma, S < O anti baglanma , S = O ba lanmama meydana gelir. Ba kuvvetinin atomik orbitallerin örtü#mesi ile orant l oldu unu söyleyebiliriz: Buna , "ba kuvvetinin overlap kriteri" denir ve ba lar, maksimum overlap halinde olu#ur. s orbitalinde dalga fonksiyonunun i#areti her yerde ay ndir. Bu yüzden daima pozitif overlap yapacaktir. p ve d orbitalleri için bir kaç muhtemel düzenleme vard r. Baz lar pozitif overlap, baz lan negatif overlap yapar (Jekil 3.17). Bag1anma sadece pozitif overlap halinde meydana gelebilir. S>O S<O Cekil 3.17. Atomik orbitallerin düzenlenmelerinden; pozitif ( a –f ), negatif (g -l ) ve s f r ( m - o ) overlap yapar. Molekuler Orbitallerin Simetrisi Atomik orbitallerin baz muhtemel kombinasyonlar Jekil 3.18’de gösterilmi#tir. Çekirdekler aras eksen boyunca silindirik olarak simetrik olanlar sigma(;) orbitalleri olarak bilinir. E er çekirdekler aras eksen moleküler orbitalin ortas ndan geçiyorsa pi (<)ba meydana gelir. Delta (J) ba d atomik orbitalleri aras nda olu#ur. Anti ba orbitallerinin hepsinde çekirdekler aras eksene dik ikinci bir eksen vard r. Fakat biz molekülün merkezi etraf nda dönü#üm simetrisi ile ilgilenece iz. Bunlar ars nda ilginç olan <p-p orbitaleri ungerada , <*p_p n n gerada olmas d r. Jekil 3.18. Atomik orbitallerden olu#an moleküler orbitaller ve simetrileri ki Atomlu Moleküllerde Moleküler orbitaller Atomik orbitallerin enerjisinden daha dü#ük, yani kararl moleküler orbitallerin olu#mas için iki kriter var: 1- Atomik orbitallerin overlap pozitif olmal . 2- 3ki atomun atomik orbitallerinin enerjisi yakla# k ayn olmal . Bu k s mda ayn cins atomik orbitallerin kombinasyonlar ndan ( 1s + 1s, 2s + 2s, 2p+2p vs. ) olu#an moleküler orbitalleri ve bunlar n enerjilerini inceleyece iz; Jekil 3.17’de iki tane s orbitalinden olu#an moleküler orbitalleri (MO) ve bunlar n enerji düzeylerini, Jekil 3.18’de ise p orbitallerinin olu#turdu u MO leri gördük. Olu#an bu moleküler orbitallerin enerji düzeyleri de Jekil 3.19’da gösterilmi#tir. p atomik orbita1lerinden px ler N ba n , py ve pz ler < ba n meydana getirir. PX ler daha iyi overlap yapt klar ndan olu#turduklar N baglar < ba 1ar ndan daha kuvvetlidir. Bu nedenle N2p orbitali <2p orbitalinden daha dü#ük enerjili, yani daha kararl d r. Jekil 3.19 rehber olarak kullanarak çesitli iki atomlu (homo nükleer) molekülleri in#a edebiliriz. Moleküler orbitallerin in#as nda da Pauli prensibi ve Hund kural geçerlidir. Jekil 3.19. Basitle#tirilmi# moleküler orbital enerji düzeyleri (s ve p atomik orbitallerinin kar # m dü#ünülmemi#tir) 1) 1-4 elektronlu moleküller. H2 molekülünü daha önce görmü#tük. 3ki elektron ;7s orbitalinde bulunur. 3ki ba elektronu bir kimyasal ba yapar. Moleküler orbital teori ba elektronlar n n say s ile kendini s n rlamaz. Bu yüzden ba derecesi verilir. Ba derecesi = 1 (Nb-Na) 2 (21) Burada Nb = ba elektronlar say s , Na = anti ba elektronlar say s He2 molekülü yoktur. Çünkü, Na = Nb, ve net ba derecesi s f rd r. E er Helyum molekülü iyonla# rsa He2+ molekülsel iyonu olu#abilir. Böyle bir molekül üç elektrona sahiptir, net ba derecesi 0,5 dir. Fakat böyle bir iyon çok yüksek enerjili durumlarda gözlenir. Hhe molekülü, He2+ iyonu ile izoelektroniktir. Net ba derecesi 0,5 olup bu molekülde muhtemelen izole ko#ullarda mevcuttur. Aksi halde di er bir molekülle temas etti inde bozunur : HHe + HHe H2 + 2He 2) Li2 ve Be2 molekülleri: iki lityum atomunda alt elektron var. Dördü N1s ve N*1s ‘e girerek ba olu#turmaz. Son iki elektron N2s orbitaline girer ve net bir ba verir.3ki berilyumda sekiz elektron moleküler orbitallere söyle yerle#ir: Be2 = N21s N*21s N22s N*22s Ba derecesi (BD)= 1 (4-4)= 0, Be2 molekülü de He2 molekülü gibi mevcut 2 olmayacakt r. 3) B2 ve C2 molekülleri: Bu moleküller genelde gözlenmeyen kimyasal maddelerdir. Bununla birlikte bunlar n özellikleri bizim enerji düzeyleri diyagram n n do rulu unu tayin etmede önemlidir. Bunlar daha sonra tart # lacakt r. 4) N2 O2, F2 ve Ne2 molekülleri: Azot molekülü 14 elektron içerir. Bunlardan dördü N21s N*21s de bulunur ve ba yapmaz. Sonraki dördü N22s N*22s orbitallerini i#gal eder ve net ba lanmaya katk s bulunmaz. Geriye kalan alt elektron bir sigma ve iki pi ba olu#turur. N2 molekülünün elektronik yap s #öyle yaz labilir N2= KK N22s N*22s N22p O42p Ba derecesi 3 olup ( bir sigma iki pi ba ) deneysel olarak gözlenen ba enerjisiyle ( 942 kJ/mol) uyumludur, O2 molekülünün elektronik yap s ; O2= KK N22s N*22s N22p O4 2pO*22p Jekil 2. 18 de enerji düzeyleri incelendi inde O*2py 2pO*2pz orbitallerinin dejenere olduklar görülür. Hund kural gere ince iki elektron paralel spinli olarak bu iki ayr orbitali i#gal eder. Bu yüzden elektronik yap daha ayr nt l olarak söyle yaz l r: O2= KK N22s N*22s N22p O4 2pO*12py 2pO*12pz Bu yaz l # biçimi ba derecesine etki etmez: BD = 1/2 ( 6 - 2) = 2. Sonuç Valens ba teorisi ile uyumludur. Ancak moleküler orbital teori O2 molekülünün para manyetik oldu unu da aç klar. Deneysel ölçümlerde bu teorinin do rulu unu onaylar. F2 molekülünün toplam 18 elektronu var, bunlann da l m #öyledir: F2= KK N22s N*22s N22p O4 2p O* 4 2p BD = 1/2 ( 6-4) =1 olup vales ba gösterimine uyar. 3ki elektron daha ilave ederek Ne2 molekülü elde edilir. Bu iki elektron geride kalan N*2p orbitaline girer; Ne2= KK N22s N*22s N22p O4 2p O* 4 2pN*22p BD = l/2 ( 6 – 6 )=0 bulunur. Ne2 molekülü de He2 molekülü gibi mevcut olmayacakt r. 3ki atomlu moleküllerde moleküler orbital teorinin sonuçlar Çizelge 3.6’da özetlenmi#tir. 3ç kabuk elektronlar ba lanmaya katk lar olmad klar için K,L,M vs. ile gösterilir. n=1 (K), n=2(L), n=3 (M) vs. Bu yüzden Na= KKLN23s #eklinde gösterilir. Çizelge 3.6 Baz iki atomlu moleküllerde MOT sonuçlar MOT sonuçlar Molekül elektron net bag Deneysel sonuçlar parelel spinli Elektron Ba enerjisi Diamanyetik (D kJ/mol Paramanyetik (P) H2 2 1N 0 432 He2 4 0 0 0 Li2 6 1N 0 105 D Be2 8 0 0 0 - N2 14 1 N 2O 0 941,69 D O2 16 1 N 1O 2 493,59 P F2 18 1N 0 155 D Ne2 20 0 0 0 D D - ki Atomlu Moleküllerin yonla4ma Enerjileri ve Ba Uzunluklar7 Baz iki atomlu molekül ve iyonlar da ba uzunluklar incelendi inde moleküler orbital teorinin avantajlar daha iyi görülür. Örne in O2 molekülü, moleküler orbital elektronik yap s ndan 1 N 1< olmak üzere iki ba oldu unu daha önce görmü#tük. Molekülün ba uzunlu u 121 pm. dir. O2 molekülüne iki elektron ilavesi, çok iyi bilinen peroksit oksijenini verir: O2 + 2e O2 2- Bu iki elektron O * orbitallerine girer ve ba derecesini bire dü#ürür. Atomlar n itme kuvvetleri ayn kal rken, s k #ma kuvvetleri azal r. Bu yüzden ba uzunlu u 149 pm. ye yükselir. E er O2 molekülüne tek elektron ilave edilirse süper oksit, O2- iyonu olu#ur. Ba derecesinin 1,5 olmas na neden olur ve ba uzunlu u da 126 pm. ye dü#er. O2 molekülünün iyonla#mas ile, O2 + katyonu olu#ur. O2 O2+ + 1e Ba uzunlu u 112 pm. ye dü#erken ba derecesi 2,5’ a ç kar. Azot oksit, NO molekülü,115 pm. ba uzunlu una ve 2,5 ba derecesine sahiptir. Nitrosil iyonu, NO+, O* antiba elektronunun uzakla#mas ile olu#ur. Böylece ba derecesinin 3 e yükselmesine ve ba uzunlu unun 106 pm. 'ye dü#mesine neden olur. Tersine elektron ilavesi (O* orbitaline) ba derecesinde azalmaya ve ba uzunlu unda artmaya neden olur. Azot oksidin iyonla#mas , O* orbitalinden bir elektronun uzakla#mas ile olur. NO NO+ + e 3E = 894 kJ/mol Hâlbuki atomal haldeki N ve O nin iyonla#mas , atomik orbitallerinden birer elektronun ayr lmas ile meydana gelir' N N+ + e- 3E = 1402 kJ/ mol O O+ + e- 3E = 1314 kj/ mol Atomik orbitallerin ( p orbitali ) enerji düzeyi, O* moleküler orbitalin enerji düzeyinden daha dü#ük oldu u için NO nün iyonla#ma enerjisi, atomlar n nkinden daha dü#üktür (Jekil 3.19) . Bu nedenle NO+ iyonu kararl olup, NOSO4ve NOBF4 gibi çe#itli bile#ikler mevcuttur. 3yonla#ma enerjilerinin mukayesesi, O2 ve N2 molekülleri ve bunlar n atomlar aras nda da yap labilir N2 N2 + + e- 3E = 1503 kJ / mol O2 O2 + + e- 3E = 1164 kj /mol N2 molekülünün iyonla#ma enerjisi, N atomununkinden daha büyüktür. Çünkü molekülde elektron, ba orbitalinden (daha kararl ) uzakla# r, Aksine O2 nün iyonla#ma enerjisi, atomunkinden daha dü#üktür. Burada elektron O* orbitalinden uzakla# r. ki Atomlu Moleküler Orbital Enerji Düzeylerine Yak7ndan Bak74 Ju ana kadar basit enerji düzey dia ram n (Jekil 3.19) kulland k. Bu model çe#itli iki atomlu moleküllerin magnetik özelliklerini, ba uzunluklar n ve iyonla#ma enerjilerini ba#ar ile aç klam #t r. Bununla beraber bu model baz moleküller için do ru netice vermez. B2 ve C2 moleküllerinin bu modele göre elektronik yap lar : B 2 = KK N22s N*22s N22p C2 = KK N22s N*22s N22p <12p <12p #eklinde yaz l r. Buna göre B molekülünün diamanyetik ve bir N ba na, C2 molekülünün Paramanyetik ve bir N, bir < ba na sahip olduklar tahmin edilir. Halbuki deneysel sonuçlar B2 molekülünün paramanyetik, C2 molekülünün diamanyetik oldu unu gösterir. Basit model sadece A ve B atomunun e# enerjili orbitalleri aras ndaki kar # m dikkate al r. Gerçekte kar # m uygun simetrili tüm orbitaller aras nda meydana gelir. 2s ve 2p orbitalleri aras ndaki enerji fark azd r ve atomun etkin atom numaras ile de i#ir. Flor ‘daki gibi etkin atom numaras n n artmas ile 2s ve 2p orbitalleri aras ndaki fark daha büyür ve kar # m ihmal edilecek kadar küçük olabilir. Gerçekten 2s ve 2p orbitalleri aras ndaki enerji fark Lityumda 200 kJ/mol, Flor da 2500 kJ/mol gibi dramatik bir yükselme gösterir. Serinin solundaki elementlerde daha dü#ük etkin çekirdek yükleri 2s ve 2p orbitallerinin iyice yakla#arak kar #mas na izin verir. Bu fenomen Valens ba teorisindeki hibritle#meye e#de erdir. Biz burada s-p orbitallerinin kar # m n n ayr nt s n incelemeyece iz. Sadece deneysel sonuçlar görece iz. E er Florda ki gibi s ve p orbitalleri aras ndaki enerji fark çok büyükse basit modelimiz yakla# k do rudur. 2s ve 2p orbitalleri aras ndaki azalan enerji fark n dü#ünelim: Fark azald kça s ve p ‘nin kar # m enerjik olarak uygun olur. Bununla birlikte nihai enerji - düzey diyagram bak m ndan daha önemlisi, ayn simetrili moleküler orbitaller bir biriyle etkile#erek daha dü#ük enerjili ve daha kararl orbitaller ile daha yüksek enerjili ve daha karars z orbltalleri vermesidir. Bu durumda, Ng(2s) ve Ng(2p) orbitalleri birbirine yakla#arak etkile#ir. s ve p orbitallerinin kar # m ndan dolay art k 2s ve 2p sembollerini kullanmak uygun olmaz. Sadece simetrilerini kullan r z. iki Ng orbitali dü#ük ene jili 2Ng ve yüksek enerjili 3Ng orbitallerini verir. N*u(2s) N*u(2p) orbitalleri aras ndaki etkile#imden de 2N*u ve 3N*u orbitalleri olu#ur. s - p kar # m n da içeren do ru ene ji düzey diagram Jekil 3.20’ da gösterilmi#tir. Bu #ekil biraz daha kar # k olup bundan ba derecesini tayin etmek zordur. 2Ng ve 1<u(2p) ba orbitalleridir. Maksimum ba derecesi bir 1Ng ve 2< ba d r. Li2, N2, O2 ve F2 gibi daha önce tart # lan ço u moleküller için Jekil 3.18 ve 3.19 dayal elektron yap lar aras ndaki farklar sadece kalitatif olup deneysel gözlemlere duyarl de ildir. Jekil 3.20 modeli kullan ld nda B2 molekülünün elektronik yap s n n deneysel gözleme uydu u görülür http://concise.britannica.com/ebc/art-951/The-molecular-orbital-energy-level-diagram-fordiatomic-molecules-of Jekil 3.20. Do ru moleküler orbital enerji düzey diyagram 2s ve 2p orbitalleri aras nda kar # m (hibritlesme) olmu#tur. VB ve MO teorilerinin Kar47la4t7r7lmas7 Bir teori, deneysel olarak gözlenen özellikleri aç klad ölçüde do rudur. Bu nedenle #u teori do rudur diye bir seçim yap lmamal d r. Fakat ba#ar l ve ba#ar s z taraflar tart # labilir. Bu düzeyde uygulanan moleküllerde iki teori de moleküler özellikleri aç klamada hemen hemen ayn sonuçlar vermi# ve ba#ar s n ispat etmi#tir. Bununla birlikte kalitatif farklar mevcuttur. Örne in VB kavram nda çok atomlu molekülleri göstermek biraz daha kolayd r. Çünkü ba , çekirdekler aras nda lokalize olmu#tur. Halbuki Moleküler orbitaller delokalizedir ve göstermek zordur. Fakat bu özellik sistemleri aç klamada daha gereklidir. Bu yüzden MO yakla# m daha do ru gözükür. Basit iki atomlu molekülleri tart # rken MO yakla# m n n VB dan daha iyi kalitatif cevaplar verdi ini görece iz. Fakat VB teorinin daha geli#tirilmi#i basit MO teoriye benzer kalitatif sonuçlar verir. Polar moleküllerde moleküler orbitaller Farkl iki atomun ( hetero nükleer ) olu#turdu u moleküler orbitaller ayn iki atomun (homo nükleer) olu#turdu u moleküler orbitallerden farkl d r. Çünkü her bir atomik orbitalin katk lar ayn de ildir. Ayn iki atomun olu#turdu u moleküler orbitalleri #öyle göstermi#tik: =b = =A + =B (22) =a = =A - =B (23) 3ki atomik orbitalde e#it katk da bulunur. E er atomik orbitallerden biri di erinden daha dü#ük enerjili ise, ba orbitaline daha fazla, antiba orbitaline daha az katk da bulunacakt r: =b = a=A +b=B (24) =a = a=A - b=B (25) Burada B atomu, A atomundan daha elektronegatif ise, b > a olur. B atomu daha dü#ük enerjili ( daha elektronegatif) oldu undan elektron bulutu bu çekirde e do ru kayar ve ba MO bu atomun atomik orbitaline daha çok benzer. Örne in CO molekülünde ba moleküler orbitali oksijenin atomik orbitaline daha çok benzeyecektir. Antiba MO "leri daha az elektronegatif olan karbona benzer Olu an moleküler orbital say s , birle en atomik orbitallerin toplam say s na e ittir. Her orbital ayn derecede kullan lmal d r. Bu nedenle, e er karbonun atomik orbitalleri ba moleküler orbitaline daha az katk da bulunuyorsa, anti ba moleküler orbitaline daha fazla katk da bulunmal d r. CO molekülünün enerji düzey diyagram Jekil 3.21.’de verilmi#tir. Hetero nükler moleküler orbitaller de gözlenen ikinci bir özellik, farkl enerjili atomik orbitallerden olu#an ba lar n kovelent ba enerjisinin azalmas d r. E er atomik orbitallerin enerjileri e#it de ilse, özellikle de i4im enerjisi azal r. Bu hal Jekil 3.22.a, b’de kalitatif olarak görülebilir. Özellikle son #ekilde A ve B atomlar n n elektronegatiflikleri o kadar büyüktür ki kovelent ba olu#umu engellenmi#tir. A 'n n elektronlar tamamen B’e ye transfer olarak basit iyonik ba olu#ur. Bu durumda de i#im enerjisi ihmal edilebilir büyüklü e dü#er. Jekil 3.21. CO molekülünün enerji düzey diyagram De i#im enerjisinin azalmas ba n zay flamas na neden olaca dü#ünülebilir. Hâlbuki de i#im enerjisin azalmas , ba da iyonik karekterin artmas na neden olur ve ba n daha kuvvetli olmas n sa lar. A A A \E A \E B B \E] 0 (a) (b) Jekil 3.22. a) Hetero nükleer AB molekülü, a) A ve B nin elektronegatiflikleri biraz farkl , b) Hetero nükleer A+B- molekülü, elektronegatiflikler çok farkl Hetero nükleer iki atomlu moleküle ikinci bir örnek hidrojen klorür molekülü verilebilir. Bu molekülde klor çekirde i daha elektronegatiftir. Bu nedenle klor atomu üzerindeki 3s ve 3p orbitallerinin enerjisi, hidrojenin 1s orbitalinin enerjisinden daha dü#üktür. HCl molekülünde moleküler orbitaller Jekil 3.23. de gösterilmi#tir, Atomlar bir arada tutan bir s ma ba var, Klorun geriye kalan alt elektronu ba yapmayan (non bonding) orbitallerini i#gal eder. Bu orbitaller gerçekte klorun de i#meden kalan atomik orbitalleridir. a* H 1s Cl O nb 3p a nb 3s a Jekil 3.23. HCl molekülü için moleküler orbital enerji düzey diyagram Çok atomlu Moleküller 3ki atomlu moleküllerde olu#an moleküler orbital say s , birle#en atomik orbitallerin toplam say s na e#it olmas gerekti ini söylemi#tik. Çok atomlu moleküllerde de ayn kural geçerli olmal d r. O halde N tane atomik orbitalden (AO) , N tane moleküler orbital (MO) meydana gelir. Üç atomlu çok basit do rusal BeH2 molekülünü inceleyelim: Be atomundan 2 AO ( bir s ve bir tane p orbitali), iki H atomundan da 2 AO ( 1s atomik orbitalleri) toplam dört AO’ in lineer kombinasyonu ile dört MO olu#ur. Be atomunun öteki iki 2p orbitali ba lanmaya kat lmaz. Çünkü bunlar H ‘nin AO leri ile s f r örtü#me yapar. . H ‘nin Be ‘dan daha elektrone atif oldu u dikkate al nd nda olu#an MO’lerin enerjileri Jekil 3.24de verilmi#tir. g = a 2s +b( H + , H) = g u = c 2p +d( H + , H) = u * g = b 2s –a( H + , H) = * g * u = d 2p - c( H - , H) = * u MO ‘lerin olu#mas nda AO ‘lerin önceden birle#mesi(kombine olmas ) do al olarak meydana gelir. Ayr ca hibritle#me gerekli de ildir. Fakat hibritle#me uygun olabilir. a*u a*g Be 2p O nb 2s H ve H ’ au ag Jekil 3.24 BeH2 molekülünde MO ‘nin enerji düzeyleri (g=gereda ,u= angereda , nb = non bonding) 3kinci bir örnek NH3 molekülünü dikkate alal m. 3 H den üç AO, Azot atomundan da dört AO( bir 2s ve üç 2p ) olmak üzere yedi AO in kombinasyonu ile yedi adet MO olu#ur. Bu MO ‘lerin #ekli daha karma# k olup grup teorisi ile elde edilir. Jekil 3.23’ de MO’lerin enerji düzeyleri gösterilmi#tir. AO lerin önceden kar #mas nedeniyle MO ler hangi atomik orbitalden olu#tu u bilinemez Bu nedenle MO’ler a, e, t harfleriyle gösterilir. NH3 molekülünde 1a, 2a ve 3a ile gösterilen 3 MO var. Bunlardan 1a kuvvetli ba lay c , 2a ba yapmayan (non bonding) , 3a ise anti bag. Geriye kalan 1e ve 2e iki#erli dejenere MO’ lerinden 1e ba MO lerini, 2e antiba MO leri olu#turur. N NH3 3a 3H a: tek bir orbitali, e: dejenere iki orbitali, t: dejenere üç orbitali gösterir. 2e 2p 2a 2s e 1e a 1a Jekil 3.25. NH3 molekülünde MO lerin enerji düzeyleri NH3 molekülünde toplam 8 elektron bu MO lere en dü#ük enerjiliden ba#lanarak doldurulur. NH3 molekülünün temel hal elektronik yap s #u #ekilde yaz l r: 1a2 1e4 2a2 Molekül antiba MO lerinde elektron içermedi inden, atomlar ndan daha kararl ( dü#ük enerjili) bir bile#iktir. 2a MO indeki 2 elektron N atomuna ait olup ba lanmaya kat lmam #t r. Bu sonuç ba yapmam # elektron çifti içeren geleneksel yap ya da uyumludur. Oktedi A4an Moleküllerde MO Teori Oktahedral SF6 molekülünde MO ler, S atomunun 3s ve 3p de erlik orbitalleri ( toplam dört tane ) ile her bir F atomunun bir p orbitallerinden ( toplam 6 tane) olu#ur. Böylece toplam 10 AO den 10 MO elde edilir. Hesaplamalar bu orbitallerin dördünün ba , dördünün antiba ve geriye kalan ikisinin de non bonding orbitaller oldu unu gösterir (Jekil 3.26). SF6 molekülündeki toplam 12 elektron ( alt S atomundan, alt da F atomlar ndan ) MO ‘lere dü#ük enerjiliden ba#lanarak yerle#tirilir. Sonuçta 1a2 1t6 e 4 elektronik yap elde edilir. Görüldü ü gibi antiba orbitalleri kullan lmam #t r. Bu nedenle MOT, SF6 molekülünün olu#umunu dört ba orbitalinin ve iki non bonding orbitalinin dolulu u ile aç klar. Ortalama ba derecesi (S –F) : 2/3 tür ( olu#an dört ba / olmas gereken alt ba : 4/6 = 2/3) . Burada önemli nokta, oktetin a47lmas7 (hipervalens) olay n n, S atomunun d orbitallerini kullanmadan aç klanabilmesidir. Bu durum ba lanmaya d orbitallerinin kat lmad anlam na gelmez. Fakat MOT de S atomuna alt F atomunun ba lanmas için buna gerek kalmam #t r. O halde birinci bölümde ifade edildi i gibi oktetin a# lmas sadece d orbitallerinin varl ile aç klanamaz. Ba#ka faktörlere de ba l oldu u aç kt r. S SF6 6F 2a 2t 3p 1a, 1t: Ba t e e 3s e: Nonbonding 2a, 2t: Antiba a 1t 1a Jekil 3.26. SF6 molekülünde MO lerin enerji düzeyleri Elektron Eksik Moleküllerde MO Teori Bu moleküllerde Lewis yap s için yeterince elektron yoktur. Bunu Diboran(B2H6) da kolayca görebiliriz. Moleküldeki sekiz atom en az yedi ba ile ba lanabilir. Yedi ba için en az 14 elektron gerekir. Fakat molekülde toplam 12 elektron var ( B atomlar ndan alt . Her bir H atomundan bir) . Hâlbuki MO teoriye göre 14 AO den (her B atomunda dört, her bir H atomundan bir) 14 MO türetilebilir. Bu MO lerden yakla# k yedisi ba ve non bonding olacakt r. Moleküldeki 12 elektron için bu yedi MO fazla gelir. Bu nedenle böyle bir molekülün var olmas nda esrarengiz hiçbir #ey yoktur. Bununla birlikte biraz farkl bir yakla# m, molekülün BHB parças üzerinde durularak gerçekle#tirilir. Üç atomun AO’ lerin kombinasyonu ile üç MO olu#turulabilir (Jekil 3.25) Bu üç atomu ba layan MO deki iki elektron köprü ba 7 olu#turur. Bu ba lara 3 merkezli 2 elektronlu( 3m2e) ba lar denir. Bu yakla# mla Lewis gösterimi için önemli bir zorluk a# lm # olur. Öteki iki çift atomu ( BH ve BH ) ba layan ba larda normal olarak 2 #er elektron bulunur (Jekil 3.25). Jekil 3.25. B2H6 molekülünde ba lanma 2e3m ba orbtali Çoklu Ba lar Çoklu ba lanmay iki #ekilde yorumlayabiliriz : N -< ve büküm ba lar #eklinde. N -< tan m genellikle alken ve alkin’ lerdeki ba lar tart # rken kullan r z. Örne in Etilendeki çift ba n bir N ve bir < ba ndan meydana geldi i dü#ünülür. N ba karbon atomlar n n sp2 hibrit orbitallerinin ba# ba#a örtü#mesi ile , < ba ise karbon atomundaki hibritle#meye kat lmam # p orbitallerinin yan yana örtü#mesi ile olu#tu u dü#ünülür (Jekil 3.26). Bu orbitaller daha önce gördü ümüz MO lere benzer. Jekil 3.26. C2 H4 molekülündeki N ve < ba lar n n gösterimi Bu N ve < ba lar n n e#de er olmad yukar daki aç klamadan anla# labilir. Daha aç k hale getirmek için ba enerjilerini kar# la#t ral m: Etan ’daki N ba ile etilendeki N ba n n ayn kuvvette oldu unu farz edebiliriz( tam olmamakla birlikte iyi bir benzetme) N ba enerjisi = 347 kJ/mol, Etilenin deneysel ayr #ma enerjisi (N ve < ba lar n k rmak için) 598 kJ/mol dür. < ba n n enerjisi 598- 347 = 251 kJ/mol bulunur. N ve < ba enerjileri aras ndaki 80 kJ/mol fark , < ba n n daha zay f örtü#tü üne atfedilir. Çoklu ba lar tan mlaman n alternatif bir yolu da Pauli taraf ndan önerilmi#tir. Bu yakla# m, bütün bile#iklerde ( doymu#, doymam #) karbon atomunun tetrahedral olarak ( sp3 hibriti ) hibritle#ti i dü#ünülür. Bu orbitallerin örtü#mesinden de çoklu ba lar n olu#tu u dü#ünülür (Jekil 3.27ve Jekil 3.28) Jekil 3.27 Etilen molekülündeki büküm ba lar n n gösterimi Jekil 3.28 Büküm ba lar n n basitle#tirilmi# gösterimi Büküm ba lar na muz ba lar da denir Bunlar n e#it enerjili oldu u dü#ünülür. Örne in Etilendeki iki ba n her birinin enerjisi 598/2 = 299 kJ/mol bulunur. Moleküler Orbitaller ve Molekül Cekli Molekül #ekilleri #imdiye kadar VSEPR yakla# m ile aç kland . Bu yakla# m tek faktör üzerinde yo unla# r: Elektron çiftleri aras ndaki itmeler. Halbuki çok atomlu bir molekülün #ekli, elektron – elektron itmeleri, elektron çekirdek etkile#imi ve elektronun kinetik enerjisini içeren bir çok faktöre ba l d r. Toplam enerjiye farkl simetrili orbitallerin farkl katk lar n de erlendirmenin zorlu u Walsh yakla# m ile oldukça basitle#tirilmi#tir. Bu yakla# m MO teori ile molekül #ekli aras ndaki ili#kiyi gösteren en basit analizdir. Walsh yakla# m VSEPR teorisine bir alternatif olup, molekül seklinin MO lerin dolulu u ile ilgisini inceler. Üç atomlu H2 X molekülünün (BeH2 ve H2O gibi) #eklinin Walsh yakla# m ile tart # lmas Jekil 3.29’ da aç klanm #t r. Bu #ekle Walsh diagram denir, diagram orbital enerjisinin molekül geometrisi ile de i#imini gösterir. Jekil 3. 30’ da orbitallerin #ekilleri verilmi#tir. Jekil 3.29’ Aç sal (90o) H 2X molekülünde en dü#ük enerjili orbital 1a 1 ile gösterilendir. Bu orbital X 2pz orbitali ile H 1s orbitallerinin örtü#mesinden olu#ur. Ba aç s 180o ye de i#irken iki H 1s orbitalleri daha az örtü#ür fakat X 2s orbitalinin katk s artar. Do rusal (180o aç l ) molekülde X 2pz nin X 2s ile yer de i#tirmesi orbitalin enerjisini dü#ürür. 1b2 nin enerjisi de dü#er, çünkü ters H – H örtü#mesi azal r ve H 1s orbitalleri X 2py orbitali ile örtü#mek için daha iyi pozisyona girer. En büyük de i#me 2a 1 de olur. 90o li molekülde bu orbital saf X 2s orbitalidir. Fakat 180o’li molekülde saf X 2pz orbitaline döner. Bu nedenle bu orbitalin enerjisi ba aç s artarken büyük bir s çrama gösterir. 1b 1 orbitali 90o li molekülde molekül düzlemine dik nonbondig X 2p orbitalidir ve do rusal molekülde de nonbonding olarak kal r. Bu yüzden onun enerjisi aç yla çok az de i#ir. Jekil 3 .30. H~ molekülünde MO lerin bile#imi, 90° ve 180° aç l iki ekstrem halde Molekülün aç sal olup olmad m tayin eden esas özellik 2a orbitalinin dolu olup olmamas d r. Aç sal molekülde o, önemli oranda X 2s karakterindedir, fakat do rusal molekülde de ildir. Bu yüzden e er bu orbital dolu ise dü#ük enerji gerçekle#ir ve molekül aç sal olur. Onun için H 2X molekülünün #ekli, orbitalleri dolduran elektron say s na ba l d r. 2. periyotta en basit H 2X molekülü gaz fazda geçici olarak olu#an BeHz molekülüdür. ( BeHz normalde polimerik kat olarak bulunur ). Bu molekülde dört de erlik elektronu var. Bunlar en dü#ük enerjili iki MÖ tti doldurur. Walsn diagram ndan da görülece i gibi sa taraftaki orbitallere yerle#tirildi inde en dü#ük toplam enerjiye ula# l r, neticede molekülün do rusal oldu u bulunur. Buna göre BeH 2 molekülünün 1 cg2 1cu2 yap s na sahip oldu u tahmin edilir. iki fazla elektrona sahip sahip CHz molekülünde üç orbital dolu olmak zorundad r. Bu durumda en dü#ük enerji, molekül e er aç salsa sa lan r. CH 2 1a1 2 2a1 2 1b2 2 elektronik yap dad r. Genelde, 5-8 elektronlu her hangi bir XH2 molekülünün aç sal olaca tahmin edilir. Gözlenen ba aç lan #öyledir: BeH2 BH2 CH2 NH2 OH2 180o 131o 136o 103o 105o Hem VSEPR teorisi hem de Walsh yakla# m bu sonuçlar kalitatif olarak hesaplayabilir. Fakat kantitatif olarak güvenilir bir yöntem veremezler. Walsh, bu yakla# m hidrojen bile#iklerinden ba#ka öteki moleküllere de uygulamaya kalk #t . Fakat elde edilen diyagramlar son derece karma# k hal ald . Bununla birlikte bu yakla# m, VSEPR teorisinin önemli bir tamamlay c s d r. çünkü Walsh yakla# m , molekül #ekli üzerine, tüm moleküle yay lan orbitallerin dolulu unun etkisini inceler, elektron çiftleri aras ndaki lokal itmeler üzerinde daha az durur. Kompleks moleküllerin #ekillerinin ça da# tart #malar nda Walsh diyagram na benzer diyagramlarla s kça kars la# 1 r. Daha sonraki bölümlerde çok say da örnek görece iz. Al74t7rmalar 3.1 - Moleküler orbital diyagram n kullanarak, BN ve NO- molekül ve iyonlar n n, ba derecesini ve ba uzunluklar n tart # n. E#le#memi# elektron say lar n gösterin. 3.2- Moleküler orbital teoriye göre a#a da verilen tepkimelerin iyonla#ma enerjilerini kar# la#t r n z: O2 O2+ + e- N2 N2 + + e- NO NO+ + e- 3.3- Hipotetik dioksijenil süper oksit, O2+O2- molekülünü dü#ünün. E er bu molekül varsa, iyonlar n n elektronik yap s ne olurdu? Ba derecelerini, ba uzunluklar n ve e#le#memi# elektron say lar n tart # n. 3.4- NNO molekülü konu içinde tart # ld . Buna izomerik NON molekülünü dü#ünün. Bu molekül, NNO molekülününe göre daha az veya daha çok mu kararl d r. Niçin? CO2 molekülü COO dan ziyade OCO #eklinde düzenlenir, niçin? 3.5- Siyanat iyonu, OCN-, bir seri kararl tuz olu#turur. Fakat birçok fulminat, CNO patlay c d r. Aç klay n. 3.6 a) NH3 molekülünde, moleküler orbitalleri (MO) ve enerji düzeylerini çizerek gösterin. Bag MO leri bulun ve N-H bag say s na bölerek ortalama N- H ba derecesini hesaplay n b) Ayn i#lemi SF6 molekülü içinde yap n ve ortalama S-F ba derecesini hesaplay n 3.7 Asetilen, C2 H2, molekülünde C atomlar n n yapt O gösterimi ile gösterin hibrit türünü ve ba lanmay N -