Lewis Yapısından Moleküler Geometriye: VSEPR Modeliyle Şekil ve Bağ Açısı

Moleküler geometri ile elektron geometrisi arasındaki ayrım

Elektron geometrisi, merkez atom çevresindeki bütün elektron yoğunluğu bölgelerinin dizilişidir. Bu bölgeler bağ çiftlerini ve bağ yapmayan elektron çiftlerini, yani yalnız çiftleri, kapsar. Moleküler geometri ise yalnızca merkez atom ile ona bağlı atomların uzaydaki konumlarını dikkate alır; yalnız çiftler şeklin adı belirlenirken görünmez, ancak şekli güçlü biçimde etkiler.

Merkez atomda hiç yalnız çift yoksa iki geometri aynı adla ifade edilir. Örneğin CH4 molekülünde karbon çevresinde dört bağ bölgesi vardır ve elektron geometrisi tetrahedraldir. Aynı dört bağ bölgesi atomları da tetrahedral bir düzende tuttuğu için moleküler geometri de tetrahedraldir.

NH3 molekülünde ise azot çevresinde üç N–H bağ bölgesi ve bir yalnız çift bulunur. Toplam dört elektron bölgesi olduğundan elektron geometrisi tetrahedraldir; fakat moleküler geometri yalnızca üç hidrojenin konumuna göre belirlendiği için üçgen piramidaldir. Böylece aynı elektron geometrisi, yalnız çiftin varlığı nedeniyle farklı bir moleküler şekle dönüşebilir.

VSEPR modelinin temel ilkeleri

VSEPR, değerlik kabuğu elektron çifti itmesi modelidir. Modelin temel varsayımı, merkez atom çevresindeki elektron bölgelerinin birbirini ittiği ve bu itmeleri azaltmak için mümkün olduğunca birbirinden uzak konumlandığıdır. Bağ çiftleri atomlar arasında bulunur; yalnız çiftler ise belirli bir bağla sınırlı olmadıkları için merkez atom çevresinde elektron yoğunluğu oluşturur.

Bu düzenlenme, elektron bölgelerinin sayısına göre gerçekleşir. İki bölge birbirine zıt, üç bölge aynı düzlemde birbirinden uzak, dört bölge üç boyutlu tetrahedral düzende yerleşir. BeF2 bunun basit bir örneğidir: berilyum çevresinde iki Be–F bağ bölgesi ve yalnız çift yoktur. İki bölge arasındaki itme, bağların merkez atomun karşılıklı iki tarafında bulunmasıyla en aza iner; bu nedenle molekül doğrusal ve F–Be–F açısı yaklaşık 180° olur.

VSEPR, şekli açıklarken öncelikle elektron bölgeleri arasındaki itmeleri dikkate alır. Gerçek moleküler düzende başka etkileşimler de rol oynayabilir; bu nedenle model, özellikle temel moleküller için yaklaşık geometri ve bağ açısı tahmini olarak kullanılır.

Elektron bölgesi sayısının belirlenmesi

Elektron bölgesi, merkez atom çevresindeki yüksek elektron yoğunluğu alanıdır. Elektron bölgesi sayısını bulmak için Lewis yapısında merkez atoma bağlı atomlarla yapılan bağlar ve merkez atom üzerindeki yalnız çiftler sayılır. Merkez atomun çevresindeki toplam sayı, elektron geometrisini belirleyen temel veridir.

Tekli, ikili ve üçlü bağların her biri VSEPR sayımında bir elektron bölgesi kabul edilir. Çünkü bağın elektron yoğunluğu, bağın kaç ortak elektron çifti içerdiğinden bağımsız olarak merkez atom ile bağlı atom arasında tek bir yönde yoğunlaşır. Örneğin CO2 yapısında karbonun iki oksijenle yaptığı iki C=O ikili bağı vardır; her ikili bağ birer bölge sayıldığı için karbon çevresinde toplam iki elektron bölgesi bulunur. Bu nedenle elektron geometrisi doğrusaldır.

Sayım yapılırken merkez atomun bağ yaptığı atom sayısı ile yalnız çift sayısı ayrı ayrı belirlenmelidir. CH4 için dört bağ ve sıfır yalnız çift toplam dört bölge; NH3 için üç bağ ve bir yalnız çift toplam dört bölge; H2O için iki bağ ve iki yalnız çift toplam dört bölgedir. Bu üç molekülün elektron geometrisi aynı, yani tetrahedraldir; moleküler geometrileri ise sırasıyla tetrahedral, üçgen piramidal ve bükülmüş olur.

İki ila altı elektron bölgesinin temel geometrileri

Elektron bölgesi sayısı, merkez atom çevresindeki elektron geometrisini doğrudan verir. İki ila altı bölge için temel düzenler ve ideal bağ açıları şöyledir:

• İki bölge: Doğrusal elektron geometrisi; ideal açı yaklaşık 180°'dir. BeF2 ve CO2 bu düzene örnektir.
• Üç bölge: Üçgen düzlem elektron geometrisi; ideal açı yaklaşık 120°'dir. BF3'te bor çevresindeki üç bağ bölgesi bu düzeni oluşturur.
• Dört bölge: Tetrahedral elektron geometrisi; ideal açı yaklaşık 109,5°'dir. CH4, dört bağ bölgesiyle bu düzene uyar.
• Beş bölge: Üçgen bipiramidal elektron geometrisi; ekvatoral bölgeler arasındaki ideal açı 120°, eksen ile ekvatoral bölge arasındaki açı 90° ve iki eksenel bölge arasındaki açı 180°'dir. PF5 beş bağ bölgesiyle örnektir.
• Altı bölge: Oktahedral elektron geometrisi; komşu bölgeler arasındaki ideal açı 90°, karşılıklı bölgeler arasındaki açı 180°'dir. SF6 altı bağ bölgesiyle oktahedraldir.

Bu adlar önce elektron geometrisini belirtir. Merkez atomda yalnız çift varsa atomların oluşturduğu moleküler şekil, aynı düzen içinden yalnız çiftlerin çıkarılmasıyla adlandırılır. Örneğin beş elektron bölgesinin ikisi yalnız çift olduğunda kalan üç bağ bölgesi, uygun yerleşime göre T biçimli bir moleküler şekil oluşturabilir; altı bölgenin ikisi yalnız çift olduğunda kalan dört bağ bölgesi kare düzlemsel şekil verir.

İdeal bağ açıları, elektron bölgelerinin eşdeğer kabul edildiği başlangıç değerleridir. Gerçek açılar elektron bölgelerinin farklı itme güçleri nedeniyle bu değerlerden sapabilir; örneğin yalnız çift içeren NH3'te H–N–H açısı 109,5°'den biraz küçüktür, H2CO'da ise C=O çift bağı bazı açıları yaklaşık 120° değerinden uzaklaştırır.

Yalnız çiftlerin moleküler şekil ve bağ açılarına etkisi

Yalnız çiftler, merkez atom çevresinde bir elektron bölgesi oluşturur ancak moleküler geometrinin adlandırılmasında bağlı atomlar gibi görünmez. Elektron yoğunlukları daha geniş bir alan kapladığından yalnız çiftlerin itmesi, bağ çifti–bağ çifti itmesinden daha güçlüdür. Genel itme sırası yalnız çift–yalnız çift > yalnız çift–bağ çifti > bağ çifti–bağ çifti şeklinde düşünülebilir.

Bu güçlü itme, bağ çiftlerini birbirine doğru biraz yaklaştırır ve bağ açılarını ideal değerden küçültebilir. H2O'da oksijen çevresinde iki O–H bağ bölgesi ve iki yalnız çift bulunur. Toplam dört elektron bölgesi tetrahedral elektron geometrisi verir; fakat yalnız çiftler moleküler şekle dahil edilmediği için atomların şekli bükülmüş olur. NH3'te bir yalnız çift ve üç bağ bölgesi vardır; elektron geometrisi tetrahedral, moleküler geometri üçgen piramidal olur. Yalnız çiftin daha fazla yer kaplaması, H–N–H açısının ideal tetrahedral açı olan 109,5°'den biraz küçük olmasına yol açar.

Beş ve altı elektron bölgeli düzenlerde yalnız çiftin konumu da önemlidir. Üçgen bipiramidal düzende yalnız çiftler, daha geniş ekvatoral konumları tercih ederek itmeleri azaltır. ClF3'te beş elektron bölgesinin üçü bağ, ikisi yalnız çifttir; yalnız çiftlerin ekvatoral yerleşimi T biçimli moleküler geometriyi oluşturur. Altı elektron bölgeli XeF4 tipi düzende iki yalnız çift karşılıklı konumlanır; böylece yalnız çift–yalnız çift itmesi azaltılır ve dört bağlı atom kare düzlemsel bir şekil oluşturur.

Bir molekülün geometrisi, bağ dipollerinin birbirini götürüp götürmemesini de etkileyebilir; bu nedenle şekil, molekül polaritesini değerlendirmenin başlangıç noktalarından biridir. Dipol momenti hesaplamaları ve ayrıntılı polarite değerlendirmesi ayrı bir konudur.

Lewis yapısından moleküler şekle geçiş şu sırayla yapılır: Önce toplam değerlik elektronlarıyla Lewis yapısı kurulur; sonra merkez atom seçilir ve bağlar yerleştirilir. Merkez atom üzerindeki bağ bölgeleri ile yalnız çiftler sayılır, toplam sayıya karşılık gelen elektron geometrisi bulunur. Ardından yalnız çiftler moleküler şeklin adlandırılmasından çıkarılır, fakat bunların daha güçlü itmeleri ve mümkünse daha az itişli konum tercihleri bağ açılarını yorumlamak için kullanılır. Örneğin NH3 için Lewis yapısından üç N–H bağı ve bir yalnız çift sayılır; dört bölge tetrahedral elektron geometrisi verir, yalnız çift çıkarıldığında şekil üçgen piramidal olur.