Lewis Yapısı Nedir? Değerlik Elektronlarından Molekül Çizimine

Tek atomun Lewis sembolü: nokta sayısı nasıl belirlenir?

Bir atomun Lewis sembolünü çizmek için önce değerlik elektron sayısı bulunur. Nötr atomlarda bu sayı, ana grup elementleri için elementin grup bilgisiyle ilişkilidir; mevcut konu kapsamında önemli olan, sembolün çevresine atomun dış katmanındaki elektron sayısı kadar nokta yerleştirmektir. Her nokta bir elektronu temsil eder.

Yerleştirme sırasında dört taraf kullanılır: üst, alt, sağ ve sol. İlk dört elektron, bu taraflara mümkün olduğunca tek tek konur. Dört elektrondan sonra gelenler, mevcut noktaların yanına eklenerek elektron çifti oluşturur. Böylece sembolün çevresindeki tek noktalar eşleşmemiş elektronları, iki noktalı gruplar ise ortaklanmamış elektron çiftlerini gösterir.

Bu gösterim bir bağın gerçekten oluşacağını tek başına kanıtlamaz; yalnızca atomun bağlanmaya katılabilecek dış elektronlarını görünür kılar. Molekül çiziminde sonraki karar, bütün atomların toplam değerlik elektronlarının birlikte değerlendirilmesidir. Örneğin hidrojenin bir değerlik elektronu vardır ve hidrojen için hedef oktet değil, iki elektronlu dublet düzenidir. Oksijenin altı değerlik elektronu bulunduğundan, iki elektron daha paylaşması veya kazanması yönündeki eğilim Lewis çiziminde iki bağ ve iki yalnız çiftle temsil edilebilir.

Molekül çiziminde elektron bütçesi: bağ çizgisi neden iki elektron sayılır?

Bir molekülün Lewis yapısına başlarken ilk işlem, bütün atomların değerlik elektronlarını toplamaktır. Nötr bir tür için atomların değerlik elektronları toplanır. İyonlarda ise negatif yük kadar elektron eklenir, pozitif yük kadar elektron çıkarılır. Bu toplam, çizim boyunca korunması gereken elektron bütçesidir.

Sonra atomlar arasında tekli bağlar kurulur. Bir tekli bağ, iki atomun ortak kullandığı iki elektrondan oluşur ve çizgiyle gösterildiğinde iki elektron olarak sayılır. Atomların dizilişinde genellikle hidrojen dışta bulunur; hidrojen iki bağ yaparak değil, bir bağla iki elektrona ulaşır. Hidrojen çoğunlukla merkez atom seçilmez. Diğer atomlar arasında merkez için genellikle daha az elektronegatif olan atom tercih edilir; ancak bu, toplam yapının ve oktet durumunun kontrol edilmesi gereken bir başlangıç kuralıdır.

Tekli bağlar çizildikten sonra kalan elektronlar önce dış atomların oktetlerini tamamlamak için yerleştirilir. Burada hidrojen istisnadır: hidrojenin çevresinde iki elektron bulunması yeterlidir. Dış atomların oktetleri tamamlandıktan sonra geriye elektron kalırsa merkez atomun üzerine yalnız çift olarak konur. Merkez atomun çevresinde sekiz elektron yoksa, dış atomlardaki yalnız çiftlerden biri ortaklanarak ikinci bir bağa dönüştürülebilir. Böylece ikili veya üçlü bağ ortaya çıkar.

Son kontrolde üç soru sorulmalıdır: Toplam çizilen elektron sayısı başlangıçtaki bütçeye eşit mi? Hidrojen dublete, uygun atomlar oktete ulaşmış mı? Birden fazla olası yapı varsa atomların elektron düzeni ve bağların yerleşimi tutarlı mı? Bu kontrol yapılmadan çizimi doğru kabul etmek, özellikle CO2 gibi çoklu bağ gerektiren türlerde hataya yol açar.

Yalnız elektron çifti ile bağ çifti arasındaki fark

Lewis yapısında iki elektronun aynı atom üzerinde bulunması yalnız elektron çifti, iki atom arasında ortak kullanılması ise bağlayıcı elektron çifti olarak değerlendirilir. Çizgiyle gösterilen her bağ iki elektrondur; fakat bu iki elektronun iki atom arasında paylaşılması, bir atomun üzerinde nokta çifti olarak bulunmasından farklıdır.

Su molekülü bu ayrımı açık biçimde gösterir. Oksijen iki hidrojenle iki tekli bağ kurar. Bu iki bağ toplam dört elektrondur. Oksijenin başlangıçta altı değerlik elektronu, hidrojenlerin toplam iki değerlik elektronu olduğundan molekülde sekiz değerlik elektronu vardır. Dört elektron bağlarda kullanıldıktan sonra oksijen üzerinde dört elektron, yani iki yalnız çift kalır. Oksijenin çevresinde iki bağdan gelen dört elektron ile iki yalnız çiftten gelen dört elektron birlikte sekiz elektron oluşturur.

Yalnız çiftler bağ çizgisi değildir; ancak molekülün elektron düzenini ve uzaydaki genel biçimini etkiler. Bu nedenle yalnız çiftleri atlamak, toplam elektron sayısını eksiltir ve molekülün yorumunu bozar. Lewis yapısı üzerinden molekülün polar olup olmadığına dair ipucu elde edilebilir; ancak bağ polaritesi ile molekülün toplam polaritesi aynı karar değildir. Bir molekülde polar bağlar bulunması, geometrik düzen nedeniyle molekülün mutlaka polar olacağı anlamına gelmez. Bu ayrım için Polar Kovalent Bağ Nedir? ve Apolar Kovalent Bağ Nedir? konuları birlikte düşünülmelidir.

Adım adım çözümlü örnekler: H2O ve CO2

Örnek 1: H2O Lewis yapısı

Verilenler: Oksijenin 6, her hidrojenin 1 değerlik elektronu vardır. Formülde bir O ve iki H bulunur.

1. Toplam elektron sayısı: $6 + 1 + 1 = 8$

2. İskelet yapı: Hidrojenler dışta, oksijen merkezde düşünülür. Başlangıçta H-O-H biçiminde iki tekli bağ çizilir. İki bağ, $2 \times 2 = 4$ elektron kullanır.

3. Kalan elektronlar: $8 - 4 = 4$

Kalan dört elektron oksijenin üzerine iki yalnız çift olarak yerleştirilir. Hidrojenlerin her biri bağdan gelen iki elektronla dubletini tamamlar. Oksijen ise iki bağdan dört, yalnız çiftlerden dört elektron olmak üzere çevresinde sekiz elektrona ulaşır.

Sonuç: Lewis gösterimi H-O-H biçimindedir; oksijenin üzerinde iki yalnız elektron çifti vardır. Çizim, suyun üç boyutlu şeklini tek başına göstermez; yalnız çiftlerin varlığı geometrinin doğrusal olmadığını değerlendirmede önem taşır.

Örnek 2: CO2 Lewis yapısı

Verilenler: Karbonun 4, her oksijenin 6 değerlik elektronu vardır. Formülde bir C ve iki O bulunur.

1. Toplam elektron sayısı: $4 + 6 + 6 = 16$

2. İskelet yapı ve ilk bağlar: Karbon merkezde, oksijenler dışta olacak şekilde O-C-O düzeni kurulur. İki tekli bağ dört elektron kullanır: $16 - 4 = 12$

3. Dış atomların oktetleri: Kalan 12 elektron, iki oksijenin çevresine önce yalnız çiftler olarak yerleştirilir. Her oksijene altı elektron eklenir. Böylece oksijenlerin çevresinde bağdan gelen iki ve yalnız çiftlerden gelen altı olmak üzere sekiz elektron bulunur.

4. Merkez atomun kontrolü: Bu yerleşimde karbon yalnızca iki tekli bağdan gelen dört elektrona sahiptir; okteti tamamlanmamıştır. Oksijenlerden birer yalnız elektron çifti karbonla ortaklanarak iki yeni bağa dönüştürülür.

5. Son yapı: O=C=O elde edilir. Karbon, iki ikili bağdan toplam sekiz elektrona ulaşır. Her oksijen de bir ikili bağdan gelen dört ve iki yalnız çiftten gelen dört elektronla oktetini tamamlar.

Sonuç: CO2 için uygun Lewis gösterimi O=C=O biçimindedir. Buradaki ikili bağlar, karbonun merkezde dört elektrona sahip kaldığı başlangıç çiziminin yetersiz olduğunu gösteren düzeltmedir. Elektron sayısı kontrol edildiğinde iki ikili bağ 8 elektron, iki oksijenin yalnız çiftleri ise 8 elektron daha kullanır; toplam 16 elektron korunur.

Lewis yapısı bağ türü ve molekül biçimi hakkında ne söyler?

Lewis yapısı, elektronların ortaklanması üzerinden kovalent bağları görünür hâle getirir. H2 gibi aynı iki atomdan oluşan bir yapıda elektron çifti iki atom arasında paylaşılır ve tekli bağ görülür. CO2 örneğinde ise merkez atomun oktetini tamamlamak için iki ikili bağ gerekir. Bu nedenle çizgi sayısı, ortaklanan elektron çiftlerinin sayısı hakkında bilgi verir: tek çizgi bir, çift çizgi iki, üçlü çizgi üç ortak elektron çifti anlamına gelir.

İyonik bileşiklerde durum farklıdır. NaCl gibi bir bileşikte elektronun sodyumdan klora aktarılması sonucunda pozitif ve negatif iyonlar oluşur. Lewis gösterimi, elektron aktarımını ve iyonların yüklerini belirtmeye yardımcı olur; ancak iyonik katıların yapısı tek tek Na-Cl moleküllerinden oluşuyormuş gibi yorumlanmamalıdır. İyonik bağın ayrıntısı için İyonik Bağ Nedir? ve genel bağ sınıflandırması için Kimyasal Bağ Nedir? bağlantılarına bakılabilir.

Lewis yapısından molekülün geometrisine doğrudan geçilemez. Önce merkez atom çevresindeki bağ çiftleri ve yalnız çiftler sayılır; bu elektron bölgelerinin birbirini itmesi, VSEPR yaklaşımıyla genel geometrinin tahmin edilmesine yardım eder. Örneğin H2O çiziminde iki bağ çifti ve iki yalnız çift bulunması, yalnızca H-O-H yazısından daha fazla yapısal bilgi sağlar. Ancak gerçek bağ açısını, elektron yoğunluğunun ayrıntılı dağılımını veya tüm moleküllerin davranışını yalnız Lewis modeliyle açıklamak mümkün değildir.

Oktet istisnaları ve Lewis modelinin sınırları

Oktet kuralı, özellikle ikinci periyot elementleri olan karbon, azot, oksijen ve flor için güçlü bir düzenleme kılavuzudur; fakat bütün atomlara aynı biçimde uygulanamaz. Hidrojen iki elektrona ulaşmaya çalıştığı için dublet kuralıyla değerlendirilir. Berilyum ve bor içeren bazı bileşiklerde merkez atomun çevresinde sekizden az elektron bulunabilir. Üçüncü periyot ve daha sonraki elementlerin bazı bileşiklerinde ise merkez atom çevresinde sekizden fazla elektron gösterilebilir.

Bu istisnalar, oktetin kontrol edilmemesi gerektiği anlamına gelmez. Tersine, önce toplam elektron sayısı doğru hesaplanmalı ve olağan oktet düzeni denenmelidir. Ancak yapı birinci veya ikinci periyot atomlarının açıkça eksik oktetli olması ya da verilen atomun istisna gösterebilmesi durumunda kuralın kapsamı sorgulanmalıdır. Bir atomun etrafında sekiz elektron bulunması da çizimin otomatik olarak doğru olduğunu göstermez; toplam elektron bütçesi ve atomların bağlanma düzeni ayrıca kontrol edilmelidir.

Lewis yapısı elektronların yerleşimi için bir modeldir. Bağ uzunluğu, bağ enerjisi, elektronların gerçek dalga davranışı ve bazı türlerde birden fazla eşdeğer çizimin nasıl yorumlanacağı gibi konular bu temel gösterimin ötesine geçer. Bu yüzden Lewis yapısını, molekülün tüm fiziksel özelliklerini tek başına açıklayan eksiksiz bir resim olarak değil, bağlanmayı ve değerlik elektronlarını düzenli biçimde inceleten ilk model olarak kullanmak gerekir.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

Değerlik elektronları yerine bütün elektronları saymak: Lewis yapısı iç katman elektronlarını göstermez. Hesaplamaya atomun bağlanmaya katılan dış elektronlarıyla başlanır.

Elektron bütçesini son kez kontrol etmemek: Noktaların ve çizgilerin temsil ettiği elektronlar birlikte sayılmalıdır. Bir çizgi iki elektron olduğundan, yalnızca noktalara bakarak toplamı kontrol etmek hatalıdır.

Hidrojeni oktete zorlamak: Hidrojenin kararlı gösterimi iki elektrona dayanır. Hidrojenin çevresine dört veya sekiz elektron yerleştirmek bu temel koşulla çelişir.

Dış atomların elektronlarını yerleştirmeden merkez atomu doldurmak: Kalan elektronlar önce dış atomların oktetlerini tamamlamak için değerlendirilir; daha sonra merkez atom kontrol edilir. Bu sıra özellikle CO2 çiziminde önemlidir.

Lewis yapısını molekül geometrisi sanmak: O=C=O yazımı bağ düzenini gösterir; çizginin sayfa üzerindeki doğrultusu, molekülün tüm uzaysal geometrisini açıklamaz. Geometri için bağ çiftleriyle yalnız çiftlerin itmesi ayrıca incelenir.

Polar bağ ile polar molekülü aynı kabul etmek: Elektronegatiflik farkı bir bağın polar karakterine işaret edebilir; molekülün toplam polaritesi ise bağların yönlerine ve molekül geometrisine bağlıdır.

İyonik bileşiği kovalent molekül gibi yorumlamak: NaCl gösteriminde elektron aktarımı ve iyon yükleri öne çıkar. İyonik bağ ile elektron ortaklaşmasına dayanan kovalent bağ aynı oluşum biçimi değildir. Kovalent bağın ayrıntıları için Kovalent Bağ Nedir? ve oktet yaklaşımı için Oktet Kuralı Nedir? konularına geçilebilir.