आणविक आकृतियाँ: HSC रसायन विज्ञान में VSEPR से ज्यामिति का पूर्वानुमान
इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों, बंधन युग्मों, एकाकी युग्मों और VSEPR सिद्धांत का उपयोग करके आणविक आकृतियों का पूर्वानुमान लगाना सीखें। इसमें हल किए गए उदाहरण, सामान्य भ्रांतियाँ और HSC-शैली के अभ्यास शामिल हैं।
तीन परमाणुओं को एक साथ रखें तो आप उम्मीद कर सकते हैं कि वे एक सीधी रेखा बनाएँगे। कभी-कभी वे ऐसा करते भी हैं। \(\ce{CO2}\) रैखिक है। लेकिन \(\ce{H2O}\), जिसमें भी तीन परमाणु हैं, मुड़ा हुआ है।
तो क्या कारण है कि एक अणु सीधा होता है और दूसरा मुड़ा हुआ?
आगे पढ़ने से पहले एक अनुमान लगाएँ। यदि \(\ce{H2O}\) में ऑक्सीजन परमाणु दो हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधा है, तो उन O-H बंधों को सीधी-रेखा वाली व्यवस्था से दूर क्या धकेल रहा हो सकता है?
इसका छूटा हुआ हिस्सा है इलेक्ट्रॉनों के एकाकी युग्म। वे ऑक्सीजन के चारों ओर स्थान घेरते हैं, भले ही हम उन्हें आणविक सूत्र में नहीं देखते। आणविक आकृति का सही पूर्वानुमान लगाने के लिए हमें केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन घनत्व के सभी क्षेत्रों को गिनना होता है, न कि केवल उससे जुड़े परमाणुओं को।
यही विचार संयोजकता कोश इलेक्ट्रॉन युग्म प्रतिकर्षण, या VSEPR, सिद्धांत का आधार है।
01मूल विचार: इलेक्ट्रॉन क्षेत्र एक-दूसरे से दूर फैलते हैं
कल्पना करें कि कई गुब्बारे एक ही बिंदु पर बाँधे गए हैं। प्रत्येक गुब्बारा दूसरे गुब्बारों को धकेलता है, इसलिए वे एक-दूसरे से यथासंभव दूर व्यवस्थित हो जाते हैं।
किसी परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन क्षेत्र लगभग इसी तरह व्यवहार करते हैं। इलेक्ट्रॉन ऋणावेशित होते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉनों वाले क्षेत्र एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। जो व्यवस्था इन क्षेत्रों को एक-दूसरे से सबसे अधिक दूर रखती है, वह सामान्यतः सबसे स्थिर होती है।
यह तुलना पूरी तरह सटीक नहीं है। इलेक्ट्रॉन बादल ठोस गुब्बारे नहीं होते, और उनकी आकृतियाँ तथा प्रतिकर्षण सभी एक जैसे नहीं होते। फिर भी यह मॉडल हमें एक उपयोगी प्रारंभिक तस्वीर देता है:
केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन क्षेत्र प्रतिकर्षण को न्यूनतम करने के लिए व्यवस्थित होते हैं।
एक इलेक्ट्रॉन क्षेत्र इनमें से कोई हो सकता है:
- एक एकल बंध
- एक द्विबंध
- एक त्रिबंध
- एक एकाकी युग्म
यहाँ एक नियम है जिसमें बहुत-से विद्यार्थी गलती करते हैं:
द्विबंध या त्रिबंध भी केवल एक इलेक्ट्रॉन क्षेत्र के रूप में गिना जाता है।
इसमें एकल बंध की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन घनत्व होता है, इसलिए इसका प्रतिकर्षण कुछ अधिक प्रबल हो सकता है, लेकिन यह केंद्रीय परमाणु से एक ही सामान्य दिशा में स्थित होता है।
02इलेक्ट्रॉन व्यवस्था, आणविक आकृति से पहले आती है
मान लें कि किसी केंद्रीय परमाणु के चारों ओर चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र हैं।
ये चारों क्षेत्र एक चतुष्फलकीय इलेक्ट्रॉन व्यवस्था में फैलते हैं, जिसमें आदर्श कोण लगभग \(109.5^\circ\) होते हैं।
लेकिन यहाँ एक महत्वपूर्ण अंतर है।
इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति सभी इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों की व्यवस्था बताती है, जिसमें एकाकी युग्म भी शामिल होते हैं।
आणविक आकृति केवल परमाणुओं की स्थितियों को बताती है।
इसी कारण चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र कई अलग-अलग आणविक आकृतियाँ उत्पन्न कर सकते हैं।
| केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन क्षेत्र | बंधन क्षेत्र | एकाकी युग्म | इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति | आणविक आकृति |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 2 | 0 | रैखिक | रैखिक |
| 3 | 3 | 0 | त्रिकोणीय समतलीय | त्रिकोणीय समतलीय |
| 3 | 2 | 1 | त्रिकोणीय समतलीय | मुड़ी हुई |
| 4 | 4 | 0 | चतुष्फलकीय | चतुष्फलकीय |
| 4 | 3 | 1 | चतुष्फलकीय | त्रिकोणीय पिरामिडीय |
| 4 | 2 | 2 | चतुष्फलकीय | मुड़ी हुई |
अंतिम स्तंभ सामान्यतः वही है जिसका अर्थ किसी प्रश्न में अणु की आकृति पूछे जाने पर होता है।
03एकाकी युग्म आकृति को क्यों बदलते हैं
\(\ce{CH4}\), अमोनिया \(\ce{NH3}\), और पानी \(\ce{H2O}\) पर विचार करें।
तीनों में केंद्रीय परमाणु के चारों ओर चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं।
फिर भी उनकी आकृतियाँ अलग-अलग हैं।
मीथेन: \(\ce{CH4}\)
कार्बन में चार बंधन क्षेत्र होते हैं और कोई एकाकी युग्म नहीं होता।
चारों इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों में बंध होते हैं, इसलिए आणविक आकृति इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति के समान होती है:
चतुष्फलकीय, जिसमें बंध कोण लगभग \(109.5^\circ\) होते हैं।
अमोनिया: \(\ce{NH3}\)
नाइट्रोजन में तीन N-H बंधन क्षेत्र और एक एकाकी युग्म होता है।
अब भी चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र हैं, इसलिए मूल इलेक्ट्रॉन व्यवस्था चतुष्फलकीय होती है। लेकिन आणविक आकृति का नाम देते समय एकाकी युग्म को परमाणुओं की स्थितियों में नहीं गिना जाता।
इसलिए तीन हाइड्रोजन परमाणु त्रिकोणीय पिरामिडीय आकृति बनाते हैं।
H-N-H कोण लगभग \(107^\circ\) होता है, जो आदर्श चतुष्फलकीय कोण से थोड़ा छोटा है।
क्यों?
एक एकाकी युग्म केवल एक नाभिक की ओर आकर्षित होता है, जबकि बंधन इलेक्ट्रॉन युग्म दो बंधित परमाणुओं के बीच साझा होता है। इसका इलेक्ट्रॉन बादल केंद्रीय परमाणु के चारों ओर अधिक फैला होता है और पास के बंधन क्षेत्रों को अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित करता है।
एक उपयोगी क्रम है:
\[
\text{एकाकी युग्म-एकाकी युग्म प्रतिकर्षण} > \text{एकाकी युग्म-बंधन युग्म प्रतिकर्षण} > \text{बंधन युग्म-बंधन युग्म प्रतिकर्षण}
\]
इसलिए नाइट्रोजन पर स्थित एकाकी युग्म N-H बंधों को थोड़ा और पास धकेल देता है।
पानी: \(\ce{H2O}\)
ऑक्सीजन में दो O-H बंधन क्षेत्र और दो एकाकी युग्म होते हैं।
फिर से चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति चतुष्फलकीय होती है।
लेकिन उनमें से केवल दो क्षेत्रों में परमाणु होते हैं। इसलिए आणविक आकृति मुड़ी हुई होती है।
H-O-H कोण लगभग \(104.5^\circ\) होता है, जो अमोनिया के कोण से भी छोटा है क्योंकि यहाँ दो एकाकी युग्म प्रबल प्रतिकर्षण उत्पन्न करते हैं।
इससे हमें एक उपयोगी पैटर्न मिलता है:
\[
\ce{CH4}: 109.5^\circ
\]
\[
\ce{NH3}: \text{लगभग }107^\circ
\]
\[
\ce{H2O}: \text{लगभग }104.5^\circ
\]
इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों की संख्या नहीं बदली है। जो बदलता है, वह यह है कि उन क्षेत्रों में से कितने एकाकी युग्म हैं।
04आकृति का पूर्वानुमान लगाने की विश्वसनीय विधि
अधिकांश HSC आणविक-आकृति समस्याओं के लिए इस क्रम का उपयोग करें।
चरण 1: केंद्रीय परमाणु पहचानें
केंद्रीय परमाणु सामान्यतः वह परमाणु होता है जो कई अन्य परमाणुओं से बंधा होता है। यहाँ जिन अणुओं पर विचार किया गया है उनमें हाइड्रोजन कभी केंद्रीय परमाणु नहीं होता, क्योंकि यह केवल एक बंध बनाता है।
चरण 2: लुईस संरचना का उपयोग करें
आपको यह जानना आवश्यक है कि बंध और एकाकी युग्म कहाँ हैं।
यदि लुईस संरचना नहीं दी गई है, तो मूल प्रक्रिया याद रखें:
- कुल संयोजकता इलेक्ट्रॉनों की संख्या गिनें।
- परमाणुओं को एकल बंधों से जोड़ें।
- जहाँ उपयुक्त हो, बाहरी परमाणुओं के संयोजकता कोश पूर्ण करें।
- बचे हुए इलेक्ट्रॉनों को केंद्रीय परमाणु पर रखें।
- उचित लुईस संरचना प्राप्त करने के लिए आवश्यकता होने पर बहुबंध बनाएँ।
अधिक जटिल संरचनाओं में औपचारिक आवेश और अनुनाद महत्वपूर्ण हो सकते हैं, लेकिन आकृति की गणना तब शुरू होती है जब आपको केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों का पता हो।
चरण 3: केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन क्षेत्र गिनें
इनमें से प्रत्येक को एक क्षेत्र मानें:
- एक एकल बंध
- एक द्विबंध
- एक त्रिबंध
- एक एकाकी युग्म
उदाहरण के लिए, \(\ce{CO2}\) में कार्बन परमाणु के दो द्विबंध हैं:
\[
\ce{O=C=O}
\]
ये दो इलेक्ट्रॉन क्षेत्र हैं, चार नहीं।
चरण 4: इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति निर्धारित करें
सबसे महत्वपूर्ण व्यवस्थाएँ हैं:
| इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों की संख्या | मूल इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति | आदर्श कोण |
|---|---|---|
| 2 | रैखिक | \(180^\circ\) |
| 3 | त्रिकोणीय समतलीय | \(120^\circ\) |
| 4 | चतुष्फलकीय | \(109.5^\circ\) |
| 5 | त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय | \(90^\circ\), \(120^\circ\), \(180^\circ\) |
| 6 | अष्टफलकीय | \(90^\circ\), \(180^\circ\) |
चरण 5: आणविक आकृति का नाम देते समय एकाकी युग्मों को नज़रअंदाज़ करें
इलेक्ट्रॉन व्यवस्था तय करने से पहले एकाकी युग्मों को न हटाएँ। पहले उन्हें इलेक्ट्रॉन व्यवस्था निर्धारित करने दें।
फिर आणविक आकृति का नाम देते समय उन्हें छिपा हुआ मानें।
यह क्रम महत्वपूर्ण है।
05हल किया हुआ उदाहरण: अमोनिया की आकृति क्या है?
\(\ce{NH3}\) की आणविक आकृति और लगभग H-N-H बंध कोण का पूर्वानुमान लगाएँ।
चरण 1
नाइट्रोजन तीनों हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधा है, इसलिए नाइट्रोजन केंद्रीय परमाणु है।
चरण 2
नाइट्रोजन में तीन N-H बंध और एक एकाकी युग्म होता है।
इससे मिलता है:
\[
3\text{ बंधन क्षेत्र} + 1\text{ एकाकी युग्म} = 4\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
चरण 3
चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र चतुष्फलकीय रूप से व्यवस्थित होते हैं।
चरण 4
एक चतुष्फलकीय स्थान पर एकाकी युग्म होता है, जिससे तीन बंधित हाइड्रोजन परमाणु बचते हैं।
आणविक आकृति त्रिकोणीय पिरामिडीय है।
चरण 5
एक पूर्ण चतुष्फलकीय कोण \(109.5^\circ\) होता है। एकाकी युग्म N-H बंधन क्षेत्रों को उन बंधन क्षेत्रों के आपसी प्रतिकर्षण से अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित करता है, इसलिए H-N-H कोण थोड़ा छोटा हो जाता है।
देखा गया कोण लगभग है:
\[
107^\circ
\]
इसलिए \(\ce{NH3}\) त्रिकोणीय पिरामिडीय है, जिसके बंध कोण लगभग \(107^\circ\) हैं।
06तीन इलेक्ट्रॉन क्षेत्र: \(\ce{CO2}\) और \(\ce{SO2}\) अलग क्यों हैं
अब द्विबंध वाले दो अणुओं की तुलना करें।
कार्बन डाइऑक्साइड है:
\[
\ce{O=C=O}
\]
कार्बन परमाणु में दो इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं। वे एक-दूसरे से यथासंभव दूर जाते हैं, जिससे \(180^\circ\) की व्यवस्था बनती है।
इसलिए \(\ce{CO2}\) रैखिक है।
सल्फर डाइऑक्साइड, \(\ce{SO2}\), अलग है। केंद्रीय सल्फर के चारों ओर तीन मुख्य इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं: ऑक्सीजन परमाणुओं की ओर निर्देशित दो बंधन क्षेत्र और एक एकाकी युग्म।
तीन क्षेत्र त्रिकोणीय समतलीय इलेक्ट्रॉन व्यवस्था को अनुकूल बनाते हैं।
लेकिन इनमें से एक स्थान पर एकाकी युग्म होता है, इसलिए परमाणु एक मुड़ा हुआ अणु बनाते हैं।
कोई विद्यार्थी दो S-O संयोजनों को देखकर रैखिक आकृति का अनुमान लगा सकता है क्योंकि “दो चीज़ें जुड़ी हुई हैं”। यह अनुमान एकाकी युग्म को अनदेखा करता है। VSEPR केवल आसपास के परमाणुओं की संख्या पर नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों पर निर्भर करता है।
हल किया हुआ उदाहरण: \(\ce{SO2}\) की आकृति का पूर्वानुमान लगाएँ
\(\ce{SO2}\) की इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति, आणविक आकृति और लगभग O-S-O बंध कोण का पूर्वानुमान लगाएँ।
चरण 1
सल्फर केंद्रीय परमाणु है। एक उपयुक्त लुईस निरूपण में सल्फर के चारों ओर दो S-O बंधन क्षेत्र और एक एकाकी युग्म होते हैं।
प्रत्येक S-O बंधन दिशा को एक क्षेत्र माना जाता है, भले ही लुईस संरचना में बंधन को द्विबंध के रूप में दर्शाया गया हो।
इसलिए:
\[
2\text{ बंधन क्षेत्र} + 1\text{ एकाकी युग्म} = 3\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
चरण 2
तीन इलेक्ट्रॉन क्षेत्र त्रिकोणीय समतलीय इलेक्ट्रॉन व्यवस्था देते हैं, जिसमें आदर्श पृथक्करण \(120^\circ\) होता है।
चरण 3
केवल सल्फर और दो ऑक्सीजन परमाणु आणविक आकृति को परिभाषित करते हैं।
इसलिए अणु मुड़ा हुआ है।
चरण 4
एकाकी युग्म सल्फर के चारों ओर बंधन क्षेत्र की तुलना में अधिक स्थान घेरता है। यह दोनों S-O बंधन क्षेत्रों को एक-दूसरे के और पास धकेलता है।
इसलिए:
\[
\angle\ce{OSO} < 120^\circ
\]
HSC के लिए महत्वपूर्ण तर्क किसी विशेष दशमलव कोण को याद रखना नहीं है। महत्वपूर्ण बात यह समझाना है कि कोण \(120^\circ\) से कम क्यों होना चाहिए।
07पाँच या छह इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होने पर क्या होता है?
यही प्रतिकर्षण का विचार चार से अधिक क्षेत्रों पर भी लागू होता है।
पाँच क्षेत्र
पाँच इलेक्ट्रॉन क्षेत्र त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय व्यवस्था बनाते हैं।
इसमें दो प्रकार के स्थान होते हैं:
- एक ही तल में तीन विषुवतीय स्थान, जिनके बीच \(120^\circ\) होता है
- उस तल के ऊपर और नीचे दो अक्षीय स्थान
एक एकाकी युग्म सामान्यतः विषुवतीय स्थान को प्राथमिकता देता है क्योंकि इससे अन्य इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों के साथ उसके \(90^\circ\) वाले अंतःक्रियाएँ कम हो जाती हैं।
उदाहरण के लिए, \(\ce{SF4}\) में सल्फर के चारों ओर पाँच इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं: चार बंधन क्षेत्र और एक एकाकी युग्म।
इसकी इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय है, लेकिन एक विषुवतीय स्थान पर एकाकी युग्म होने के कारण इसकी आणविक आकृति सीसॉ होती है।
छह क्षेत्र
छह इलेक्ट्रॉन क्षेत्र अष्टफलकीय व्यवस्था बनाते हैं।
उदाहरण के लिए, \(\ce{SF6}\) में छह बंधन क्षेत्र होते हैं और कोई एकाकी युग्म नहीं होता, इसलिए यह अष्टफलकीय है।
यदि किसी अष्टफलकीय व्यवस्था में दो एकाकी युग्म हों, तो उन एकाकी युग्मों की स्थिति महत्वपूर्ण होती है। उन्हें एक-दूसरे के विपरीत रखने से वे \(180^\circ\) की दूरी पर रहते हैं और उनका पारस्परिक प्रतिकर्षण कम होता है।
ऐसा \(\ce{XeF4}\) में होता है। ज़ीनॉन में छह इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं: चार Xe-F बंधन क्षेत्र और दो एकाकी युग्म।
दोनों एकाकी युग्म विपरीत स्थानों पर रहते हैं, जिससे चार फ्लोरीन परमाणु एक ही तल में रह जाते हैं।
आणविक आकृति वर्गाकार समतलीय होती है।
08गिनती में होने वाली दो सबसे सामान्य गलतियाँ
गलती 1: इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों के बजाय बंधों को गिनना
मान लें कि केंद्रीय कार्बन में एक द्विबंध और दो एकल बंध हैं।
आप गिन सकते हैं:
\[
2 + 1 + 1 = 4
\]
और चतुष्फलकीय व्यवस्था का अनुमान लगा सकते हैं।
यह गलत है।
द्विबंध को एक इलेक्ट्रॉन क्षेत्र माना जाता है, क्योंकि उसका इलेक्ट्रॉन घनत्व कुल मिलाकर एक ही दिशा में होता है।
इसलिए सही गिनती है:
\[
1 + 1 + 1 = 3\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति त्रिकोणीय समतलीय है।
गलती 2: एकाकी युग्मों को बहुत जल्दी अनदेखा करना
मान लें कि एक ऑक्सीजन परमाणु दो परमाणुओं से बंधा है।
यदि आप केवल उन दो बंधों को देखें, तो आप रैखिक आकृति का अनुमान लगा सकते हैं क्योंकि दो क्षेत्र \(180^\circ\) की दूरी पर स्थित होंगे।
लेकिन ऑक्सीजन पर सामान्यतः दो एकाकी युग्म भी होते हैं। इससे कुल चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र हो जाते हैं।
इसलिए इलेक्ट्रॉन व्यवस्था चतुष्फलकीय होती है, और दो बंधित परमाणु उन चार दिशाओं में से केवल दो पर स्थित होते हैं। परिणाम एक मुड़ी हुई आकृति है।
एक अच्छा निर्णय नियम है:
इलेक्ट्रॉन व्यवस्था निर्धारित करते समय एकाकी युग्मों को गिनें। केवल अंतिम आणविक आकृति का नाम देते समय उन्हें अनदेखा करें।
09VSEPR उपयोगी प्रवृत्तियों का पूर्वानुमान लगाता है, पूर्ण कोणों का नहीं
सरल VSEPR मॉडल प्रायः \(120^\circ\) और \(109.5^\circ\) जैसे आदर्श कोणों से शुरू होता है। वास्तविक अणुओं में हमेशा बिल्कुल यही मान नहीं होते।
अलग-अलग इलेक्ट्रॉन क्षेत्र समान रूप से प्रतिकर्षित नहीं करते।
विशेष रूप से:
- एकाकी युग्म सामान्यतः बंधन क्षेत्रों से अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित करते हैं
- बहुबंध एकल बंधों की तुलना में अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित कर सकते हैं
- अलग-अलग आसपास के परमाणु बंधन इलेक्ट्रॉनों के वितरण को बदल सकते हैं
इसलिए जब किसी प्रश्न में आपसे विकृत बंध कोण समझाने को कहा जाए, तो केवल यह न कहें कि “इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षित करते हैं”।
अधिक सटीक रहें:
- इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों की पहचान करें,
- पहचानें कि कौन-से क्षेत्र अधिक प्रबल प्रतिकर्षण उत्पन्न करते हैं,
- बताएँ कि कौन-से बंध एक-दूसरे के पास या दूर धकेले जाते हैं,
- परिणामी कोण की तुलना आदर्श ज्यामिति से करें।
यह व्याख्या अलग-अलग बंध कोणों को रटने की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी है।
10प्रश्न और समाधान
प्रश्न 1
\(\ce{BF3}\) में केंद्रीय बोरॉन परमाणु तीन B-F बंध बनाता है और उस पर कोई एकाकी युग्म नहीं होता। आणविक आकृति और F-B-F बंध कोण का पूर्वानुमान लगाएँ।
समाधान 1
\(\ce{BF3}\) त्रिकोणीय समतलीय है, जिसमें F-B-F बंध कोण लगभग \(120^\circ\) होते हैं।
बोरॉन परमाणु में तीन बंधन क्षेत्र होते हैं और कोई एकाकी युग्म नहीं होता:
\[
3\text{ बंधन क्षेत्र} = 3\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
तीन इलेक्ट्रॉन क्षेत्र एक ही तल में \(120^\circ\) की दूरी पर फैलकर अपने प्रतिकर्षण को न्यूनतम करते हैं।
क्योंकि प्रत्येक इलेक्ट्रॉन क्षेत्र में एक बंध है, इसलिए इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति और आणविक आकृति दोनों त्रिकोणीय समतलीय हैं।
सामान्य गलती यह मान लेना है कि कई बंधों वाला हर अणु चतुष्फलकीय हो जाता है। चतुष्फलकीय ज्यामिति के लिए चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र चाहिए, केवल “दो से अधिक” नहीं।
प्रश्न 2
एक अणु में केंद्रीय परमाणु के चारों ओर चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र हैं। इनमें तीन बंधन क्षेत्र हैं और एक एकाकी युग्म है।
इसकी इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति और आणविक आकृति बताएँ। क्या आप इसके बंध कोणों के बिल्कुल \(109.5^\circ\) होने की अपेक्षा करेंगे? समझाएँ।
समाधान 2
इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति चतुष्फलकीय है, आणविक आकृति त्रिकोणीय पिरामिडीय है, और बंध कोण \(109.5^\circ\) से थोड़े कम होने चाहिए।
कुल चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्र चतुष्फलकीय व्यवस्था उत्पन्न करते हैं:
\[
3\text{ बंधन क्षेत्र} + 1\text{ एकाकी युग्म} = 4\text{ क्षेत्र}
\]
जब परमाणुओं की स्थितियों का नाम देने के उद्देश्य से एकाकी युग्म को अनदेखा किया जाता है, तो तीन बंधित परमाणु बचते हैं, जिससे त्रिकोणीय पिरामिडीय आणविक आकृति बनती है।
कोण संकुचित होता है क्योंकि एकाकी युग्म केंद्रीय परमाणु के चारों ओर अधिक स्थान घेरता है और पास के बंधन क्षेत्रों को उनके आपसी प्रतिकर्षण से अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित करता है। गलती यह होगी कि केवल इसलिए अपने-आप \(109.5^\circ\) का उपयोग कर लिया जाए क्योंकि मूल इलेक्ट्रॉन व्यवस्था चतुष्फलकीय है।
प्रश्न 3
फॉर्मल्डिहाइड, \(\ce{CH2O}\), में एक केंद्रीय कार्बन परमाणु दो हाइड्रोजन परमाणुओं से बंधा होता है और एक ऑक्सीजन परमाणु से द्विबंधित होता है।
कार्बन के चारों ओर व्यवस्था का पूर्वानुमान लगाएँ। समझाएँ कि C=O द्विबंध को दो अलग-अलग इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों के रूप में मानने से गलत परिणाम क्यों मिलता है।
समाधान 3
कार्बन के चारों ओर व्यवस्था त्रिकोणीय समतलीय होती है, और कार्बन के आसपास बंध कोण लगभग \(120^\circ\) होते हैं।
कार्बन परमाणु के चारों ओर हैं:
\[
2\text{ C-H क्षेत्र} + 1\text{ C=O क्षेत्र} = 3\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
इसलिए तीनों क्षेत्र त्रिकोणीय समतलीय व्यवस्था में फैलते हैं।
C=O द्विबंध में दो साझा इलेक्ट्रॉन युग्म होते हैं, लेकिन दोनों कार्बन और ऑक्सीजन के बीच एक ही समग्र बंधन दिशा में स्थित होते हैं। इसलिए VSEPR पूरे द्विबंध को इलेक्ट्रॉन घनत्व का एक क्षेत्र मानता है, दो स्वतंत्र दिशाएँ नहीं।
द्विबंध को दो बार गिनने पर गलत रूप से चार क्षेत्र मिलेंगे और चतुष्फलकीय व्यवस्था का पूर्वानुमान लगेगा।
सभी सटीक कोणों का बिल्कुल \(120^\circ\) होना आवश्यक नहीं है, क्योंकि इलेक्ट्रॉन-समृद्ध द्विबंध पास के बंधन क्षेत्रों को एकल बंध की तुलना में कुछ अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित कर सकता है।
प्रश्न 4
अमोनिया एक हाइड्रोजन आयन के साथ अभिक्रिया करके अमोनियम बना सकता है:
\[
\ce{NH3 + H+ -> NH4+}
\]
पूर्वानुमान लगाएँ कि नाइट्रोजन के चारों ओर आणविक आकृति \(\ce{NH3}\) से \(\ce{NH4+}\) बनने पर कैसे बदलती है। यह भी बताएँ कि H-N-H कोण बड़े होते हैं, छोटे होते हैं या अपरिवर्तित रहते हैं।
समाधान 4
आकृति \(\ce{NH3}\) में त्रिकोणीय पिरामिडीय से बदलकर \(\ce{NH4+}\) में चतुष्फलकीय हो जाती है, और H-N-H कोण थोड़े बड़े हो जाते हैं।
\(\ce{NH3}\) में नाइट्रोजन के पास हैं:
\[
3\text{ बंधन क्षेत्र} + 1\text{ एकाकी युग्म} = 4\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
इलेक्ट्रॉन-क्षेत्र ज्यामिति चतुष्फलकीय होती है, लेकिन एक स्थान पर एकाकी युग्म होता है। आणविक आकृति त्रिकोणीय पिरामिडीय होती है, और H-N-H कोण लगभग \(107^\circ\) होते हैं।
जब \(\ce{NH3}\), \(\ce{NH4+}\) बनाता है, तो नाइट्रोजन का एकाकी युग्म अतिरिक्त N-H बंध बनाने में उपयोग होता है। अब नाइट्रोजन के पास हैं:
\[
4\text{ बंधन क्षेत्र} + 0\text{ एकाकी युग्म} = 4\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
अब सभी चार चतुष्फलकीय स्थानों पर बंधित हाइड्रोजन परमाणु होते हैं, इसलिए आणविक आकृति चतुष्फलकीय होती है।
अतिरिक्त संपीड़न उत्पन्न करने वाला कोई एकाकी युग्म न होने के कारण H-N-H कोण लगभग हो जाते हैं:
\[
109.5^\circ
\]
एक आकर्षक लेकिन गलत सोच यह है कि एक और हाइड्रोजन जोड़ने से अधिक भीड़ होगी और इसलिए कोण छोटा हो जाएगा। महत्वपूर्ण केवल परमाणुओं की संख्या नहीं है। अधिक प्रबलता से प्रतिकर्षित करने वाले एकाकी युग्म की जगह एक बंधन क्षेत्र ने ले ली है, जिससे चारों क्षेत्र अधिक समान हो गए हैं।
प्रश्न 5
एक विद्यार्थी कहता है:
“जिस भी अणु में केंद्रीय परमाणु से दो परमाणु बंधे हों, वह रैखिक होना चाहिए क्योंकि दोनों बंध विपरीत दिशाओं में जा सकते हैं।”
\(\ce{CO2}\) और \(\ce{H2O}\) का उपयोग करके इस दावे का मूल्यांकन करें।
समाधान 5
यह दावा गलत है क्योंकि आणविक आकृति केंद्रीय परमाणु के चारों ओर सभी इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों पर निर्भर करती है, केवल बंधित परमाणुओं की संख्या पर नहीं।
\(\ce{CO2}\) में कार्बन के दो इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं:
\[
\ce{O=C=O}
\]
प्रत्येक द्विबंध को एक क्षेत्र माना जाता है, इसलिए कुल दो क्षेत्र हैं। वे एक-दूसरे से \(180^\circ\) दूर हो जाते हैं, जिससे \(\ce{CO2}\) रैखिक बनता है।
\(\ce{H2O}\) में ऑक्सीजन के पास हैं:
\[
2\text{ बंधन क्षेत्र} + 2\text{ एकाकी युग्म} = 4\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
चार क्षेत्र चतुष्फलकीय इलेक्ट्रॉन व्यवस्था उत्पन्न करते हैं। जब आणविक आकृति का नाम देते समय दो एकाकी युग्मों को अनदेखा किया जाता है, तो दो O-H बंध मुड़ी हुई व्यवस्था में रह जाते हैं।
इसलिए महत्वपूर्ण तुलना है:
| अणु | बंधन क्षेत्र | केंद्रीय परमाणु पर एकाकी युग्म | कुल क्षेत्र | आकृति |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\) | 2 | 0 | 2 | रैखिक |
| \(\ce{H2O}\) | 2 | 2 | 4 | मुड़ी हुई |
विद्यार्थी का तर्क उचित-सा लगता है क्योंकि दो अलग वस्तुएँ एक-दूसरे के विपरीत बैठकर अपनी दूरी अधिकतम कर सकती हैं। लेकिन जब अन्य अदृश्य इलेक्ट्रॉन क्षेत्र भी स्थान के लिए प्रतिस्पर्धा कर रहे हों, तो यह तर्क विफल हो जाता है।
प्रश्न 6
\(\ce{XeF4}\) में ज़ीनॉन के चार Xe-F बंधन क्षेत्र और दो एकाकी युग्म होते हैं।
एक विद्यार्थी छह इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों और अष्टफलकीय इलेक्ट्रॉन व्यवस्था की सही पहचान करता है, लेकिन फिर चार फ्लोरीन परमाणु होने के कारण चतुष्फलकीय आणविक आकृति का अनुमान लगाता है।
समझाएँ कि यह अनुमान क्यों विफल होता है और सही आणविक आकृति निर्धारित करें।
समाधान 6
सही आणविक आकृति वर्गाकार समतलीय है, चतुष्फलकीय नहीं।
ज़ीनॉन के चारों ओर छह इलेक्ट्रॉन क्षेत्र होते हैं:
\[
4\text{ बंधन क्षेत्र} + 2\text{ एकाकी युग्म} = 6\text{ इलेक्ट्रॉन क्षेत्र}
\]
छह इलेक्ट्रॉन क्षेत्र अष्टफलकीय व्यवस्था बनाते हैं।
दोनों एकाकी युग्म एक-दूसरे को प्रबलता से प्रतिकर्षित करते हैं। अष्टफलकीय व्यवस्था में वे एक-दूसरे के सीधे विपरीत स्थानों पर रह सकते हैं, जिससे उनके बीच \(180^\circ\) का कोण होता है।
इससे चार Xe-F बंध एक ही तल में रह जाते हैं और पास-पास के बंधों के बीच \(90^\circ\) होता है। इसलिए चार फ्लोरीन परमाणु ज़ीनॉन के चारों ओर एक वर्ग बनाते हैं।
विद्यार्थी की गलती सूक्ष्म है। चार बंधित परमाणुओं का अर्थ अपने-आप चतुष्फलकीय आकृति नहीं होता। चतुष्फलकीय आकृति तब बनती है जब वे चार बंध कुल चार इलेक्ट्रॉन क्षेत्रों में व्यवस्थित हों। \(\ce{XeF4}\) में चार बंध छह-क्षेत्र वाली अष्टफलकीय व्यवस्था का हिस्सा हैं, इसलिए उनकी स्थितियाँ अलग होती हैं।
11आणविक आकृति के बाद आगे क्या?
एक बार आप आकृति का पूर्वानुमान लगाना सीख जाते हैं, तो आप केवल संरचनाओं के नाम बताने से अधिक कर सकते हैं।
आकृति बताती है कि अलग-अलग बंध द्विध्रुव अंतरिक्ष में कैसे व्यवस्थित हैं। इसका अर्थ है कि यह तय करते समय कि कोई अणु ध्रुवीय है या अध्रुवीय, आकृति अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाती है।
उदाहरण के लिए, \(\ce{CO2}\) और \(\ce{H2O}\) दोनों में ध्रुवीय बंध होते हैं। उनकी अलग-अलग आकृतियाँ निर्धारित करती हैं कि वे बंध द्विध्रुव एक-दूसरे को निरस्त करते हैं या नहीं।
इसलिए अगला उपयोगी प्रश्न केवल यह नहीं है, “क्या बंध ध्रुवीय हैं?” बल्कि यह है: जब इन बंधों को आणविक आकृति में व्यवस्थित किया जाता है, तो उनके द्विध्रुवों को मिलाने पर क्या होता है?