VSEPR’ye Göre Molekül Geometrisi Nasıl Belirlenir?

VSEPR modelinin temel ilkesi

VSEPR, merkez atomun çevresindeki değerlik elektron gruplarının birbirini ittiği ve bu itmeleri en aza indirecek şekilde yerleştiği kabulüne dayanır. VSEPR adı, değerlik katmanı elektron çifti itmesi fikrini ifade eder. Elektron grubu; merkez atomla yapılan bir bağdaki bağlayıcı elektron çifti veya merkez atom üzerinde bulunan ortaklanmamış elektron çifti olabilir.

Elektron grupları birbirinden mümkün olduğunca uzak durduğunda sistemin itme etkisi azalır ve molekülün yaklaşık geometrisi ortaya çıkar. Birden fazla bağ da merkez atom çevresinde tek bir elektron grubu gibi değerlendirilir; çünkü VSEPR uygulamasında bağın tekli, ikili ya da üçlü olması yerine o bağın oluşturduğu yön dikkate alınır. Örneğin CO2 molekülünde karbon atomu iki oksijen atomuna bağlıdır. Karbon üzerinde ortaklanmamış çift bulunmadığı için iki elektron grubu vardır ve bu gruplar zıt yönlere yerleşerek doğrusal bir düzen oluşturur. Bu nedenle O=C=O için yaklaşık bağ açısı 180° kabul edilir.

Lewis yapısından elektron grubu sayısını belirleme

VSEPR uygulamasının başlangıç noktası Lewis yapısıdır. Lewis yapısı, atomların bağlarda paylaştığı elektron çiftlerini ve bağa katılmayan ortaklanmamış elektron çiftlerini gösterir. Sayım yapılırken yalnızca merkez atomun çevresindeki gruplar dikkate alınır: Merkez atoma bağlı her atom bir bağlayıcı elektron grubu, merkez atom üzerindeki her ortaklanmamış çift ise bir elektron grubu sayılır. Tekli, ikili ve üçlü bağların her biri birer bağlayıcı grup kabul edilir.

Lewis yapısını kurmak için önce molekül veya iyonun toplam değerlik elektronları bulunur. İyonlarda negatif yük başına elektron eklenir, pozitif yük başına elektron çıkarılır. Daha sonra atomlar merkez atom etrafında düzenlenir, aralarında tekli bağlar kurulur, kalan elektronlar önce dış atomlara ortaklanmamış çift olarak yerleştirilir ve geriye kalanlar merkez atoma konur. Gerekirse oktetleri tamamlamak için çoklu bağlar oluşturulur. Hidrojen genellikle merkez atom olmaz; merkez atom çoğunlukla elektronegatifliği daha düşük olan elementtir.

Örneğin H2O için oksijen merkez atomdur. Oksijen iki hidrojenle iki bağ yaptığı ve üzerinde iki ortaklanmamış elektron çifti bulunduğu için merkez atom çevresinde toplam dört elektron grubu vardır: iki bağlayıcı grup ve iki ortaklanmamış çift. BF3 için bor merkez atomdur; üç B–F bağı bulunur ve bor üzerinde ortaklanmamış çift yoktur. Bu durumda elektron grubu sayısı üçtür. Bu sayım, sonraki VSEPR adımında kullanılacak temel veriyi sağlar.

Elektron geometrisi ve molekül geometrisi arasındaki fark

Elektron geometrisi, merkez atom çevresindeki bütün elektron gruplarının (bağlayıcı çiftler ve ortaklanmamış çiftler) uzaydaki düzenidir. Molekül geometrisi ise yalnızca merkez atoma bağlı atomların oluşturduğu şekli ifade eder; ortaklanmamış elektron çiftleri şeklin adlandırılmasında doğrudan atom gibi gösterilmez. Bu nedenle aynı elektron geometrisi, ortaklanmamış çiftlerin sayısına bağlı olarak farklı molekül geometrilerine karşılık gelebilir.

Örneğin CH4 molekülünde karbon çevresinde dört bağlayıcı grup ve ortaklanmamış çift yoktur. Elektron geometrisi tetrahedral, molekül geometrisi de tetrahedraldir. NH3 molekülünde ise dört elektron grubu vardır: üç N–H bağlayıcı grubu ve bir ortaklanmamış çift. Bu yüzden elektron geometrisi yine tetrahedral olduğu hâlde molekül geometrisi üçgen piramidaldir. H2O’da da dört elektron grubu bulunur; iki bağlayıcı grup ve iki ortaklanmamış çift nedeniyle elektron geometrisi tetrahedral, molekül geometrisi ise bükülmüş olarak adlandırılır.

Bağ açısı, merkez atomdan çıkan bağların yönleri arasındaki açıdır. İdeal elektron geometrisi bağların mümkün olduğunca uzaklaşacağı yönleri belirler; ortaklanmamış çiftler bulunduğunda gerçek bağ açısı ideal değerden sapabilir. Molekül şekli ile polarlık arasında da temel bir ilişki vardır; şeklin simetrisi, bağ etkilerinin birbirini dengeleyip dengelememesini etkileyebilir. Polarlık ve dipol momenti hesaplamaları ayrı bir konudur ve ayrıntılı hesaplama gerektirir.

İki ila altı elektron grubunun temel geometrileri

Merkez atom çevresindeki elektron grubu sayısı, temel elektron geometrisini belirler. İki elektron grubu doğrusal düzende ve yaklaşık 180° açıyla yerleşir. Üç elektron grubu üçgen düzlemsel düzendedir ve ideal açı yaklaşık 120° olur. Dört elektron grubu tetrahedral düzendedir; bağlar arasındaki ideal açı yaklaşık 109,5°’dir. Bu düzenler, merkez atomda ortaklanmamış çift bulunmadığında aynı zamanda doğrusal, üçgen düzlemsel ve tetrahedral molekül geometrilerini verir. Örneğin BeCl2 doğrusal, BF3 üçgen düzlemsel, CH4 ise tetrahedral molekül geometrisine örnek olarak verilebilir.

Beş elektron grubu üçgen bipiramidal elektron geometrisi oluşturur. Bu düzende üç konum aynı düzlemde ekvatoryal, iki konum ise bu düzleme dik eksenel konumlardır. Ekvatoryal konumlar arasındaki ideal açı yaklaşık 120°, eksenel ve ekvatoryal konumlar arasındaki açı yaklaşık 90°, iki eksenel konum arasındaki açı ise 180°’dir. Beş bağlayıcı grubu ve ortaklanmamış çifti olmayan PCl5 bu düzene sahiptir. Ortaklanmamış çift bulunduğunda şekil değişir; örneğin dört bağ ve bir ortaklanmamış çiftten oluşan düzen seesaw, üç bağ ve iki ortaklanmamış çiftten oluşan düzen T biçimli, iki bağ ve üç ortaklanmamış çiftten oluşan düzen doğrusal olarak adlandırılır.

Altı elektron grubu oktahedral elektron geometrisi oluşturur. Altı konumun her biri birbiriyle yaklaşık 90° veya karşı konumla 180° açı yapar. Altı bağlayıcı grubu bulunan SF6 oktahedral molekül geometrisine örnektir. Beş bağ ve bir ortaklanmamış çift olduğunda molekül geometrisi kare piramidal; dört bağ ve iki ortaklanmamış çift olduğunda kare düzlemsel olur. Kare düzlemsel düzende dört bağ aynı düzlemde bulunur ve komşu bağlar arasındaki açı yaklaşık 90°’dir. Böylece elektron grubu sayısı aynı kalsa bile ortaklanmamış çiftlerin varlığı molekül geometrisini değiştirebilir.

Ortaklanmamış elektron çiftlerinin geometri ve bağ açılarına etkisi

Ortaklanmamış elektron çiftleri, bağlayıcı elektron çiftlerine göre merkez atom çevresinde daha fazla yer kaplayan ve daha güçlü itme oluşturan gruplar olarak değerlendirilir. İtme etkisinin genel sıralaması ortaklanmamış çift–ortaklanmamış çift, ortaklanmamış çift–bağ çifti, bağ çifti–bağ çifti şeklindedir. Bu güçlü itmeler bağ çiftlerini birbirine biraz daha yaklaştırır; dolayısıyla bağ açıları, ortaklanmamış çift bulunmayan ideal geometrinin açılarına göre küçülebilir.

CH4’te dört bağlayıcı grup bulunduğundan molekül geometrisi tetrahedraldir ve ideal bağ açısı yaklaşık 109,5° kabul edilir. NH3’te azot üzerindeki bir ortaklanmamış çift, üç N–H bağını iter ve molekül üçgen piramidal olur. H2O’da iki ortaklanmamış çift bulunduğu için iki O–H bağı daha fazla etkilenir ve molekül bükülmüş şekil alır. Bu örneklerde elektron geometrisi dört grup nedeniyle tetrahedral kalırken molekül geometrisi ve bağ açıları ortaklanmamış çiftlerin sayısına göre değişir.

VSEPR ile molekül geometrisi belirleme adımları

Bir molekülün geometrisini belirlemek için önce Lewis yapısı çizilir. Bunun için şu sıra izlenir: toplam değerlik elektronları hesaplanır, uygun merkez atom seçilir, merkez atom ile çevresindeki atomlar arasında bağlar kurulur, dış atomların elektron düzenleri tamamlanır ve kalan elektronlar merkez atom üzerine yerleştirilir. Gerekli durumlarda merkez atomun oktetini sağlamak için çoklu bağlar değerlendirilir.

Sonra yalnızca merkez atom çevresindeki elektron grupları sayılır. Her bağ, bağın türü ne olursa olsun bir bağlayıcı elektron grubu; merkez atomdaki her ortaklanmamış çift ise bir elektron grubu kabul edilir. Toplam sayıdan elektron geometrisi seçilir. Ardından ortaklanmamış çiftler molekül geometrisinin adlandırılmasında çıkarılır ve yalnızca bağlı atomların uzaydaki konumuna bakılır. Son adımda uygun ideal bağ açıları yazılır; ortaklanmamış çift varsa bağ açısının ideal değerden sapabileceği belirtilir.

Örneğin NH3 için Lewis yapısında azot merkez atomdur; üç N–H bağı ve bir ortaklanmamış çift vardır. Elektron grubu sayısı dörttür, bu nedenle elektron geometrisi tetrahedraldir. Ortaklanmamış çift molekül geometrisinde atom olarak gösterilmediğinden molekül geometrisi üçgen piramidaldir. Beş elektron gruplu bir türde eksenel ve ekvatoryal konumlar, altı elektron gruplu bir türde ise karşılıklı 180° konumlar ayrıca kontrol edilir. Atom orbitallerinin hibritleşmesiyle molekül geometrisi arasındaki ilişki farklı bir başlıkta ele alınır. VSEPR’nin istisnaları ve geçiş metali kompleksleri de ayrı bir konudur.