9. Sınıf Kimya İyonik ve Kovalent Bağ Konu Anlatımı

Rehberli anlatımda söylenen yönlendirmeler dâhil tam metin. Düşünme araları sessizdir.

1. Giriş

   Birlikte düşünelim. Tuz tanesini ve su molekülünü aynı bağ resmiyle açıklayabilir miyiz? Önce hangi taneciği çizdiğimizi belirleyelim: atom mu, iyon mu, molekül mü? Bu derste elektronların verilmesini, alınmasını ve ortak kullanılmasını birbirinden ayıracağız. Ardından çizdiğimiz modelin toplam yükünü ve elektron sayısını kontrol edeceğiz. Bir yanıtı seçmeden önce gerekçeni tek cümleyle söyle; doğru terimi kullanmak kadar o terimin hangi yapıyı anlattığını bilmek de önemlidir. Örnekleri kâğıt üzerinde incele; gerçek maddeleri karıştırman veya ısıtman gerekmiyor.

2. Ayrıntılı anlatım

   İyondan iyonik yapıya: yükü ve oranı birlikte izle. Bir atom elektron verdiğinde proton sayısı değişmez; elektron sayısı azalır ve katyon oluşur. Elektron alan atom ise anyon olur. Elektron negatif yüklü olduğu için bu yönü ters yazmak kolaydır. Örneğin başlangıçta 12 protonu ve 12 elektronu bulunan nötr magnezyum atomu iki elektron verirse 12 proton, 10 elektron ve artı iki net yük taşır. Artı yük, iki yeni proton eklenmesi anlamına gelmez. Kimyasal bağ modelinde çekirdekteki protonları bir atomdan diğerine taşımayız. Elektron aktarımı iyonların oluşumunu açıklar; oluşmuş iyonları bir arada tutan iyonik bağ ise zıt yükler arasındaki elektrostatik çekimdir. Bu iki açıklama aynı aşamanın iki adı değildir. İyonik kristalde bir iyon tek bir karşı iyonla yalıtılmış bir çift oluşturmak zorunda değildir; çevresindeki birden çok karşı yüklü iyonla etkileşir. Bu nedenle sofra tuzundaki NaCl ifadesini bağımsız bir NaCl molekülünün çizimi gibi okumak yerine, kristaldeki en basit sodyum iyonu ve klorür iyonu oranı olarak düşün. Bir iyonik bileşiğin formülünde toplam pozitif ve negatif yük birbirini dengelemelidir. Mg2+ ve Cl− için bir magnezyuma iki klorür gerekir: artı iki ile iki tane eksi bir sıfır eder. Al3+ ve O2− için iki alüminyum ile üç oksit gerekir: artı altı ve eksi altı. Alt indisler iyonun yükü değildir; formüldeki sayıca oranı gösterir. Oranı en küçük pozitif tam sayılarla yaz. Na2Cl2 de toplam yükü sıfırlar fakat Na+ ve Cl− için en sade formül NaCl olur. Örnek: Bir modelde X2+ ile Y3− iyonları bir araya geliyor. Birer tane alırsan toplam yük eksi bir kalır. Üç X iyonu artı altı, iki Y iyonu eksi altı sağlar. En küçük nötr oran X:Y = 3:2, formül X3Y2 olur. Her Y iyonunun yükü hâlâ eksi üçtür; alttaki iki bu yükü değiştirmez. Ca2+ ve O2− iyonlarından oluşan kristalin en sade formülü nedir? Ca2O2 neden son yanıt değildir? Birer iyon artı iki ve eksi ikiyi dengeler; en küçük oran 1:1 olduğundan CaO yazılır. 2:2 oranı aynı yapıyı anlatan fakat sadeleştirilmemiş bir orandır. Sık hata: Elektron veren atomu eksi yüklü çizme; aktarılan parçacığın işaretini düşün. Yük denkleştirmeyi de alt indisleri ezbere yer değiştirme işlemiyle bırakma: toplamı mutlaka kontrol et.

3. Ayrıntılı anlatım

   Kovalent bağ: ortak çiftin iki çekirdekle ilişkisi. İki hidrojen atomunu düşün: her birinin bir protonu ve bir elektronu var. İki elektron ortak bir bağ çifti oluşturduğunda bu çift her iki çekirdekle de etkileşir. Bağı sadece elektronların birbirini çekmesiyle açıklayamayız; elektronlar birbirini iter. Çekirdekler de birbirini iter. Kararlı uzaklıkta elektron–çekirdek çekimleri ile itmeler birlikte değerlendirilir. Atomları sonsuz yakınlaştırmak bağı sınırsız güçlendirmez. Bağ uzunluğuna uygun uzaklığın bulunması, itme ve çekmenin dengelendiği bir modeldir. Kovalent bağda çizdiğimiz tek çizgi bir ortak elektron çiftini, yani iki elektronu temsil eder. İki atom arasındaki iki çizgi iki çift, üç çizgi üç çift gösterir. Bu çizgiler atomların çekirdeklerinin birleştiği veya bir atomun ötekine dönüştüğü anlamına gelmez. H2 molekülünde iki hidrojen çekirdeği bulunmaya devam eder. Ortak çift, hidrojenlerin çevresindeki dublet düzenini anlatır. Her atom için çiftin sayılması, molekülde toplam dört ayrı elektron bulunduğunu göstermez; aynı çift iki atoma aittir. Bağ yapan atomlar aynı elementten veya farklı elementlerden olabilir. Aynı atomların elektronu ortak kullanması eşit paylaşımı destekler; farklı atomlarda paylaşım eşit olmak zorunda değildir. Burada iyonlaşma ile kısmi yük farkını birbirinden ayıracağız. Ayrıca kovalent bağ görülen her maddeye bağımsız küçük moleküllerden oluşur demek doğru olmaz: ağ yapılı kovalent katılar da vardır. Bu dersteki H2, H2O, NH3, CH4 ve CO2 örnekleri molekül modelleridir; bu seçilmiş örneklerden bütün katılara koşulsuz genelleme yapma. Örnek: Bir öğrenci H–H çizgisini iki atomun toplam bir elektronu diye okuyor. Önce çizginin karşılığını yaz: bir çizgi, bir çift, iki elektron. Sonra sayımı tüm molekül için yap: iki nötr H atomundan gelen iki elektron vardır. Hidrojen başına dublet kontrolünde aynı ortak çiftin görülmesi toplam elektron sayısını iki kez artırmaz. O=O modelinde iki atom arasında kaç ortak çift ve kaç ortak elektron gösterilir? İki çizgi iki ortak çifttir; her çift iki elektron içerdiğinden toplam dört ortak elektron vardır. Bu sayı moleküldeki bütün değerlik elektronlarının sayısı değildir. Sık hata: Kovalent bağı iki negatif elektronun çekimi olarak tanımlama. Bağ çiftinin iki pozitif çekirdekle çekimini ve aynı işaretli parçacıkların itmesini birlikte değerlendir.

4. Ayrıntılı anlatım

   Lewis gösterimini elektron bütçesiyle denetle. Lewis gösterimine başlamadan önce bütün atomların değerlik elektronlarını topla. Bu dersteki nötr örneklerde H bir, C dört, N beş, O altı ve Cl yedi değerlik elektronu getirir. Su için altı artı iki tane bir, toplam sekiz elektron vardır. İki O–H bağı dört elektronu kullanır; kalan dört elektron oksijen üzerinde iki ortaklanmamış çift olur. Ortaklanmamış çift, bağ çizgisi değildir. Gösterimde önce toplam elektron bütçesini, sonra her atomun çevresindeki düzeni kontrol et. Amonyakta azotun beş, üç hidrojenin toplam üç elektronu sekiz yapar. Üç N–H bağı altı elektron kullanır; azotta bir ortaklanmamış çift kalır. Metanda dört C–H bağı sekiz elektronun tamamını bağlarda kullanır; karbon üzerinde ortaklanmamış çift bulunmaz. Hidrojen için iki elektron yeterlidir; ona sekiz elektron yerleştirmeye çalışma. Buradaki karbon, azot, oksijen ve klor örneklerinde oktet kontrolü kullanılır. Oktet kuralının her element ve her bileşik için istisnasız doğa yasası olduğunu iddia etmiyoruz. CO2 için dört artı iki tane altı, toplam on altı değerlik elektronu vardır. O=C=O gösterimindeki iki çift bağ sekiz elektronu içerir. Kalan sekiz elektron, her oksijende iki ortaklanmamış çift olarak yerleşir. Karbonun çevresinde bağ çiftlerinden sekiz elektron sayılır. O2 için toplam on iki elektrondan dört tanesi çift bağda, sekizi ortaklanmamış çiftlerdedir. Bir çizim çok düzenli görünse bile elektron sayısı yanlışsa kabul edilemez. Önce toplamı kontrol etmek, eksik çiftleri veya fazladan eklenen noktaları bulmayı kolaylaştırır. Örnek: NH3 çiziminde üç tek bağın yanında azotta iki ortaklanmamış çift gösterilmiş olsun. Üç bağ altı, iki yalnız çift dört elektron kullanır; toplam on olur. Oysa bütçe 5 + 3×1 = 8 elektrondur. Fazladan bir çift çıkarılır; üç bağ ve bir ortaklanmamış çift doğru bütçeyi sağlar. N2 için toplam değerlik elektron sayısı ondur. N≡N modelinde bağ dışındaki elektronlar kaç çift oluşturur? Üçlü bağ altı elektron kullanır. On eksi altı, dört elektron kalır; bunlar iki ortaklanmamış çifttir, her azotta bir çift bulunur. Sık hata: Lewis çizgisini tek elektron sanmak veya ortak çifti iki ayrı çift gibi toplamak sayımı bozar. Bir noktayı bir elektron, bir çift ya da çizgiyi iki elektron olarak aynı ölçekte izle.

5. Ayrıntılı anlatım

   Bağ polarlığı ile molekül polarlığını ayır. Elektronegatiflik, bağdaki ortak elektronları çekme eğilimidir. H–Cl bağında klorun elektronegatifliği daha yüksek olduğundan elektron yoğunluğu klor tarafında daha fazladır. Bu yüzden klor tarafı kısmen negatif, hidrojen tarafı kısmen pozitiftir. Kısmi yükleri δ− ve δ+ ile gösteririz. Bunlar tam elektron aktarımıyla oluşmuş Cl− ve H+ iyonlarıyla aynı gösterim değildir. Bağ hâlâ kovalenttir; paylaşım eşit değildir. Aynı iki atom arasındaki bağda ise elektronegatiflik farkı bulunmaz. Bir molekülün polar olup olmadığını yalnız tek bir bağına bakarak belirleyemezsin. Bağların uzaydaki yönleri ve etkilerinin birbirini dengelemesi de önemlidir. CO2 doğrusal ve iki C–O bağı eşdeğer kabul edildiğinde bağların kutuplaşma etkileri zıt yönlerde dengelenir; molekül apolardır. Buna rağmen C–O bağları polardır. H2O açısal olduğu için O–H bağlarının etkileri tamamen dengelenmez; molekül polardır. Soruda şekil verilmişse o şekli kullan; molekül formülündeki harflerin düz satırda yazılması uzaydaki şeklin kanıtı değildir. CH4 eşdeğer dört C–H bağıyla simetrik dört yüzlü model oluşturur ve apolar molekül olarak sınıflandırılır. Simetri gerekçesini kullanırken önce gerçekten eşdeğer bağlar ve belirtilmiş geometri olup olmadığını denetle. Tek bir bağın yerine farklı bir bağ gelmesi dengeyi değiştirebilir. Bu aşamada hibritleşme veya ileri geometri hesabı yapman gerekmiyor; gerekli şekil bilgisi ders ya da soruda verilir. Yanıtında önce bağ düzeyindeki paylaşımı, ardından bütün molekülün dipol etkisini ayrı cümlelerle açıkla. Örnek: Doğrusal O=C=O modelinde her oksijen bağ elektronlarını karbondan daha güçlü çekiyor. Sol bağın etkisi sola, sağ bağın eşdeğer etkisi sağa yönelir. İki etki dengelenir. Doğru sonuç iki polar bağ içeren apolar moleküldür; bağların kendisini apolar ilan etmek, sonucu yanlış gerekçeyle bulmak olur. H–Cl için Cl daha elektronegatiftir. H ve Cl üzerindeki uygun kısmi yük işaretleri nelerdir? H üzerinde δ+, Cl üzerinde δ− bulunur. Bu işaretler kovalent bağdaki eşit olmayan elektron yoğunluğunu gösterir; çekirdek sayısının değiştiğini göstermez. Sık hata: Polar bağ varsa molekül mutlaka polardır genellemesini kullanma. Elektronların eşit paylaşılmaması yerel bağ özelliği, bütün dipol etkisinin dengelenmesi molekül özelliğidir.

6. Ayrıntılı anlatım

   Yeni modeli kanıt, hareketli yük ve öz denetimle sınama. Bir maddeyi sınıflandırırken gözlem ile tanecik modelini ilişkilendir. İyonik kristalde iyonlar katıda belli konumlar çevresinde titreşir; elektrik akımı taşıyacak biçimde yapı boyunca serbestçe ilerleyemez. Eritilmiş uygun bir iyonik maddede iyonların hareket edebilmesi iletkenliği açıklar. Bunu katıdaki iyonların nötrleştiği veya eriyince elektronların metaldeki gibi serbestleştiği şeklinde anlatma. İyonik bağın varlığı ile yük taşıyıcıların hareketliliği ayrı sorulardır. Bu derste erimiş madde örnekleri yalnız hazır veridir; evde eritme deneyi yapılmaz. Suda çözündüğünde iyonlarına ayrılan bir tuzun çözeltisi de hareketli iyonlar taşıyabilir. Ancak yalnız bir çözeltinin iletken olması, çözünmeden önceki saf maddenin mutlaka iyonik kristal olduğunu kanıtlamaz: moleküler bir madde suyla etkileşip iyon oluşturabilir. Aynı şekilde bütün kovalent maddeler her koşulda yalıtkandır sözü gereğinden geniştir. Soruda hangi taneciklerin bulunduğu ve hangi hâlin ölçüldüğü verildiyse bunu açıkça kullan. Yetersiz bilgide tek bir özellikten kesin kimlik çıkarmak yerine ek kanıt iste. Son kontrolünü üç soruyla yap: Elektron sayısı korunuyor mu? Toplam yük beklenen değerde mi? Molekül ile kristal ağı birbirine karıştırıyor muyum? Bir modelde Mg atomundan iki elektron çıkıp yalnız bir Cl atomuna bir elektron giriyorsa kayıt eksiktir; ikinci elektronun gideceği ikinci klor atomu gerekir. Bir Lewis çiziminde bütçe doğru ama hidrojen çevresine dört elektron çizilmişse yine hata vardır. Yanlışını bulunca yalnız doğru şıkkı değil, hatalı sayımı veya gerekçeyi de yeniden yaz. Bu ders bütün kimyasal bağlar ünitesinin, adlandırmanın veya metalik bağın tamamı değildir. Örnek: Hazır kayıtta bir katı akımı iletmiyor, aynı maddenin eriyiği iletiyor ve eriyikte katyonlarla anyonlar gözleniyor. Birlikte kullanılan üç veri hareketli iyonlu modeli destekler. Yalnız katının iletmemesi aynı güce sahip kanıt değildir; bazı moleküler katılar da iletmez. Tek gözlem yerine tutarlı kanıt kümesi kur. Bir rapor yalnız sulu çözeltinin iletkenliğini veriyor. Çözünmeden önceki katının bağ türü kesin olarak çıkar mı? Hayır. İletkenlik hareketli yüklü taneciklere işaret eder; bu iyonların başlangıçta mı bulunduğunu yoksa suyla etkileşim sırasında mı oluştuğunu anlamak için ek veri gerekir. Sık hata: İletkenlik varsa mutlaka elektron denizi vardır sonucuna atlama. İyonlar da yük taşır; hangi taneciğin hareket ettiğini ve hangi hâlin incelendiğini belirt.