HSC Chemistry के लिए इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: परमाणु और आयन

मान लीजिए कि आपको पता है कि किसी परमाणु में 17 इलेक्ट्रॉन हैं। वे इलेक्ट्रॉन वास्तव में कहाँ जाते हैं?

यह कल्पना करना आसान है कि वे नाभिक के चारों ओर ऐसे भरते जाते हैं जैसे लोग आगे की पंक्ति से पीछे की ओर सीटें भर रहे हों। यह विचार उपयोगी है, लेकिन अधूरा है। इलेक्ट्रॉन विशिष्ट ऊर्जा स्तरों, उपकोशों और कक्षकों में रहते हैं, और उनका क्रम केवल कोश 1, फिर कोश 2, फिर कोश 3 नहीं होता।

आगे पढ़ने से पहले अनुमान लगाइए: \(3p\) भरने के बाद अगला इलेक्ट्रॉन \(3d\) में जाएगा या \(4s\) में?

वह \(4s\) में जाता है। यही थोड़ा असामान्य परिणाम है जिसके कारण इलेक्ट्रॉनिक विन्यास समझने के लिए केवल इलेक्ट्रॉनों की संख्या गिनना पर्याप्त नहीं है।

01कोशों से शुरू करें: व्यापक ऊर्जा स्तर

किसी परमाणु में इलेक्ट्रॉन केवल कुछ निश्चित अनुमत ऊर्जाएँ ही रख सकता है। हम इन्हें कोशों में व्यवस्थित करते हैं, जिन्हें मुख्य क्वांटम संख्या \(n\) से दर्शाया जाता है:

• \(n = 1\): पहला कोश
• \(n = 2\): दूसरा कोश
• \(n = 3\): तीसरा कोश
• \(n = 4\): चौथा कोश

प्रारंभिक मानसिक मॉडल के रूप में एक बहुमंज़िला अपार्टमेंट इमारत की कल्पना करें। कोश संख्या आपको मंज़िल बताती है।

यह चित्र मदद करता है, लेकिन जल्द ही इसकी सीमाएँ सामने आ जाती हैं। प्रत्येक मंज़िल अलग-अलग प्रकार के कमरों में विभाजित होती है, और कुछ कमरे नीचे वाली मंज़िल के कमरों की तुलना में कम ऊर्जा वाले हो सकते हैं। इलेक्ट्रॉनों के लिए ऊर्जा महत्वपूर्ण है, केवल मंज़िल संख्या नहीं।

किसी कोश में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या है:

\[
2n^2
\]

जहाँ \(n\) कोश संख्या है।

उदाहरण के लिए, दूसरे कोश में हो सकते हैं:

\[
2(2)^2 = 8 \text{ इलेक्ट्रॉन}
\]

तीसरे कोश में अधिकतम हो सकते हैं:

\[
2(3)^2 = 18 \text{ इलेक्ट्रॉन}
\]

लेकिन इसका यह अर्थ नहीं है कि पहले 18 इलेक्ट्रॉन कोशों को \(2, 8, 8\) के रूप में भरते हैं और फिर चौथा कोश शुरू होने से पहले तीसरा कोश पूरी तरह भर जाता है। वास्तविक क्रम समझने के लिए हमें उपकोशों को समझना होगा।

02उपकोश: प्रत्येक कोश को अलग-अलग ऊर्जा क्षेत्रों में बाँटना

प्रत्येक कोश में एक या अधिक उपकोश होते हैं, जिन्हें \(s\), \(p\), \(d\) और \(f\) से दर्शाया जाता है।

संख्या आपको कोश बताती है। अक्षर आपको उपकोश बताता है।

इसलिए \(3p\) का अर्थ तीसरे कोश का \(p\) उपकोश है।

प्रत्येक प्रकार के उपकोश में इलेक्ट्रॉनों की एक निश्चित अधिकतम संख्या हो सकती है:

इस सारणी को चार असंबंधित संख्याओं की तरह याद करने के बजाय समझना अधिक उपयोगी है। प्रत्येक कक्षक में अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, इसलिए इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या कक्षकों की संख्या की दोगुनी होती है।

03कक्षक: दो-इलेक्ट्रॉन सीमा कहाँ से आती है

कक्षक वह क्षेत्र है जिसका वर्णन किसी इलेक्ट्रॉन की क्वांटम अवस्था द्वारा किया जाता है। HSC Chemistry के लिए उपयोगी बात यह है कि प्रत्येक कक्षक में अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं, और उन इलेक्ट्रॉनों के स्पिन विपरीत होने चाहिए।

हम अक्सर किसी कक्षक को एक बॉक्स और इलेक्ट्रॉनों को तीरों के रूप में दर्शाते हैं:

\(1s:\ [\uparrow\downarrow]\)

तीरों का अर्थ यह नहीं है कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में छोटे तीर हैं जो घड़ी की दिशा और घड़ी की विपरीत दिशा में घूम रहे हैं। वे दो अनुमत स्पिन अवस्थाओं को दर्शाते हैं।

एक ही परमाणु के दो इलेक्ट्रॉनों को क्वांटम संख्याओं का बिल्कुल समान समुच्चय रखने से रोकने वाला नियम पाउली अपवर्जन सिद्धांत है। किसी कक्षक में यही सिद्धांत हमें विपरीत स्पिन वाले अधिकतम दो इलेक्ट्रॉनों की सीमा देता है।

04मूल-अवस्था विन्यास निर्धारित करने वाले तीन नियम

मूल-अवस्था इलेक्ट्रॉनिक विन्यास किसी परमाणु के इलेक्ट्रॉनों की न्यूनतम-ऊर्जा व्यवस्था है।

इसे लिखने के तरीके को तीन मुख्य विचार नियंत्रित करते हैं।

1. पहले कम-ऊर्जा वाले कक्षक भरें

इसे सामान्यतः ऑफबाउ सिद्धांत कहा जाता है।

आवर्त सारणी के शुरुआती भागों के लिए भरने का क्रम है:

\[
1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s,\ 4d,\ 5p,\ 6s,\ldots
\]

इस महत्वपूर्ण भाग पर ध्यान दें:

\[
3p \rightarrow 4s \rightarrow 3d
\]

इसलिए \(3d\) से पहले \(4s\) भरना शुरू होता है।

जो विद्यार्थी केवल कोश संख्याएँ देखता है, वह अनुमान लगा सकता है कि \(3d\), \(4s\) से पहले आएगा। यह उचित लग सकता है क्योंकि 3, 4 से छोटा है। समस्या यह है कि इलेक्ट्रॉन कक्षक की ऊर्जा के अनुसार भरते हैं, केवल कोश संख्या के अनुसार नहीं।

2. एक कक्षक में दो से अधिक इलेक्ट्रॉन न रखें

यह पाउली अपवर्जन सिद्धांत से आता है।

एक \(s\) उपकोश में एक कक्षक होता है, इसलिए उसमें अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं:

\(s^2\)

एक \(p\) उपकोश में तीन कक्षक होते हैं, इसलिए उसमें अधिकतम छह इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं:

\(p^6\)

एक \(d\) उपकोश में पाँच कक्षक होते हैं, इसलिए उसमें अधिकतम दस इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं:

\(d^{10}\)

3. इलेक्ट्रॉनों की जोड़ी बनाने से पहले उन्हें अलग-अलग कक्षकों में फैलाएँ

यह हंड का नियम है।

मान लीजिए कि तीन इलेक्ट्रॉनों को किसी \(p\) उपकोश में जाना है। एक \(p\) उपकोश में तीन कक्षक होते हैं।

मूल-अवस्था व्यवस्था है:

\[
[\uparrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]
\]

न कि:

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\ ]
\]

समान ऊर्जा वाले कक्षकों में जोड़ी बनने से पहले इलेक्ट्रॉन एक-एक करके प्रवेश करते हैं।

थोड़ी मज़ेदार उपमा एक लगभग खाली बस की है। यदि तीन लोग बस में चढ़ें और सीटों के तीन खाली जोड़े हों, तो वे आम तौर पर कंधे से कंधा मिलाकर बैठने से पहले अलग-अलग बैठना पसंद करेंगे। हंड के नियम में भी कुछ ऐसा ही पैटर्न दिखाई देता है।

यह उपमा एक सीमा तक ही सही है क्योंकि इलेक्ट्रॉन सामाजिक निर्णय नहीं लेते। वास्तविक व्यवस्था क्वांटम यांत्रिकी और इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन पारस्परिक क्रियाओं से उत्पन्न होती है।

05इलेक्ट्रॉनिक विन्यास कैसे लिखें

इलेक्ट्रॉनों की संख्या से शुरू करें, फिर प्रत्येक उपकोश की क्षमता से अधिक जाए बिना ऊर्जा क्रम के अनुसार उपकोश भरें।

किसी उदासीन परमाणु के लिए:

\[
\text{इलेक्ट्रॉनों की संख्या} = \text{परमाणु क्रमांक}
\]

किसी आयन के लिए, आवेश के अनुसार इलेक्ट्रॉनों की संख्या समायोजित करें।

\(2+\) आयन ने दो इलेक्ट्रॉन खोए हैं।

\(1-\) आयन ने एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त किया है।

इलेक्ट्रॉनिक विन्यास इलेक्ट्रॉनों की संख्या और नाभिकीय आवेश पर निर्भर करता है, न्यूट्रॉनों की संख्या पर नहीं। इसलिए एक ही तत्व के दो समस्थानिकों के उदासीन परमाणुओं का मूल-अवस्था इलेक्ट्रॉनिक विन्यास समान होता है। यदि आपको परमाणु क्रमांक, द्रव्यमान संख्या और समस्थानिकों के बीच अंतर दोहराना हो, तो HSC Chemistry के लिए स्थिर और अस्थिर समस्थानिकों की व्याख्या देखें।

06उत्कृष्ट गैस संक्षिप्त लेखन

लंबे विन्यास लिखना असुविधाजनक हो सकता है, इसलिए हम अक्सर पूर्ण रूप से भरे आंतरिक कोशों को पिछली उत्कृष्ट गैस के प्रतीक से बदल देते हैं।

सल्फर का विन्यास है:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4
\]

पहले दस इलेक्ट्रॉन निऑन के समान हैं, इसलिए हम लिख सकते हैं:

\[
\boxed{\ce{[Ne]}\,3s^2\,3p^4}
\]

वर्ग कोष्ठकों का अर्थ है “इस उत्कृष्ट गैस का पूर्ण इलेक्ट्रॉन विन्यास”।

यह संक्षिप्त लेखन विन्यास को बदलता नहीं है। यह केवल भरे हुए आंतरिक उपकोशों को दोबारा लिखने से बचाता है।

07आयनों के लिए विन्यास लिखना

मुख्य-समूह के आयनों के लिए सबसे सुरक्षित विधि है:

1. आयन में इलेक्ट्रॉनों की संख्या निर्धारित करें,
2. उन इलेक्ट्रॉनों को उपलब्ध न्यूनतम ऊर्जा स्तरों में भरें।

उदाहरण के लिए, क्लोरीन का परमाणु क्रमांक 17 है।

उदासीन क्लोरीन में 17 इलेक्ट्रॉन होते हैं:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

क्लोराइड आयन, \(\mathrm{Cl}^{-}\), ने एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त किया है, इसलिए इसमें 18 इलेक्ट्रॉन हैं:

\[
\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6}
\]

या:

\[
\boxed{\ce{[Ar]}}
\]

कैल्शियम का परमाणु क्रमांक 20 है। उदासीन कैल्शियम का विन्यास है:

\[
\ce{[Ar]}\,4s^2
\]

कैल्शियम आयन \(\mathrm{Ca}^{2+}\) ने वे दो बाहरी इलेक्ट्रॉन खो दिए हैं:

\[
\boxed{\ce{[Ar]}}
\]

अभी तक ऐसा लगता है कि “लिखे हुए विन्यास के अंत से इलेक्ट्रॉन हटाएँ” वाला तरीका काम करता है।

फिर संक्रमण धातुएँ आती हैं और इस शॉर्टकट को बिगाड़ देती हैं।

08संक्रमण-धातु का जाल: \(3d\) से पहले \(4s\) से इलेक्ट्रॉन हटाएँ

लौह पर विचार करें, जिसका परमाणु क्रमांक 26 है।

इसका उदासीन मूल-अवस्था विन्यास है:

\[
\boxed{\ce{[Ar]}\,4s^2\,3d^6}
\]

इसे आप इस प्रकार लिखा हुआ भी देख सकते हैं:

\[
\ce{[Ar]}\,3d^6\,4s^2
\]

दोनों संकेतनों में वही भरे हुए उपकोश दर्शाए जाते हैं।

अब \(\mathrm{Fe}^{2+}\) के विन्यास का अनुमान लगाइए। क्या आप \(3d\) से दो इलेक्ट्रॉन हटाएँगे, क्योंकि भरने के क्रम में \(3d\), \(4s\) के बाद आता है?

नहीं। पहले \(4s\) के इलेक्ट्रॉन हटाए जाते हैं।

इसलिए:

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{2+}: [Ar]\,3d^6}
\]

\(\mathrm{Fe}^{3+}\) के लिए एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन \(3d\) से हटाया जाता है:

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{3+}: [Ar]\,3d^5}
\]

यह केवल तभी विरोधाभासी लगता है जब भरने के क्रम को एक कठोर सीढ़ी मान लिया जाए जो कभी नहीं बदलती।

सरलीकृत नियम “\(4s\), \(3d\) से पहले भरता है” कई उदासीन परमाणुओं का विन्यास बनाने के लिए उपयोगी है। लेकिन एक बार \(3d\) उपकोश में इलेक्ट्रॉन आ जाने पर, इलेक्ट्रॉन व्यवस्था के कारण कक्षकों की सापेक्ष ऊर्जाएँ प्रभावित होती हैं। सामान्य संक्रमण-धातु धनायनों में \(3d\) इलेक्ट्रॉनों से पहले \(4s\) इलेक्ट्रॉन निकलते हैं।

इसलिए HSC के लिए एक विश्वसनीय नियम है:

सामान्य उदासीन विन्यास बनाते समय \(3d\) से पहले \(4s\) भरें, लेकिन संक्रमण-धातु धनायन बनाते समय \(3d\) से पहले \(4s\) इलेक्ट्रॉन हटाएँ।

09क्रोमियम और कॉपर: जहाँ सरल भरने के पैटर्न में संशोधन आवश्यक है

सामान्य भरने का क्रम एक ऐसा मॉडल है जो बहुत अच्छी तरह काम करता है, लेकिन इसके कुछ महत्वपूर्ण अपवाद हैं।

परमाणु क्रमांक 24 वाले क्रोमियम के लिए एक मूल ऑफबाउ अनुमान होगा:

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^4}
\]

लेकिन इसका प्रेक्षित मूल-अवस्था विन्यास है:

\[
\boxed{\ce{Cr}: [Ar]\,4s^1\,3d^5}
\]

परमाणु क्रमांक 29 वाले कॉपर के लिए सरल अनुमान होगा:

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^9}
\]

इसका मूल-अवस्था विन्यास है:

\[
\boxed{\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}}
\]

कभी-कभी इसे यह कहकर समझाया जाता है कि “अर्ध-भरे और पूर्ण रूप से भरे \(d\) उपकोश अधिक स्थिर होते हैं”। यह याद रखने के लिए उपयोगी बात है, लेकिन यह पूर्ण भौतिक व्याख्या नहीं है। वास्तविक ऊर्जाएँ कई योगदानों पर निर्भर करती हैं, जिनमें इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन पारस्परिक क्रियाएँ भी शामिल हैं, और इन व्यवस्थाओं के बीच ऊर्जा का अंतर छोटा होता है।

HSC के लिए व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण बात यह है: जब क्रोमियम और कॉपर के मूल-अवस्था विन्यास पूछे जाएँ, तो उन्हें सबसे सरल ऑफबाउ पैटर्न में जबरन फिट न करें।

इनके आयन फिर भी संक्रमण-धातु इलेक्ट्रॉन-निष्कासन नियम का पालन करते हैं।

उदाहरण के लिए:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

\(\mathrm{Cu}^{+}\) बनाने के लिए \(4s\) इलेक्ट्रॉन हटाएँ:

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}}
\]

फिर \(\mathrm{Cu}^{2+}\) बनाने के लिए एक \(3d\) इलेक्ट्रॉन हटाएँ:

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9}
\]

10कोश संकेत और उपकोश संकेत एक ही चीज़ नहीं हैं

कभी-कभी इलेक्ट्रॉनों को केवल कोशों के आधार पर भी दर्शाया जाता है।

क्लोरीन के लिए:

\[
2,\ 8,\ 7
\]

यह बताता है कि पहले कोश में दो इलेक्ट्रॉन, दूसरे में आठ और तीसरे में सात इलेक्ट्रॉन हैं।

इसका उपकोश विन्यास कहीं अधिक सटीक है:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5
\]

दोनों विवरण उपयोगी जानकारी देते हैं, लेकिन वे अलग-अलग प्रश्नों का उत्तर देते हैं।

कोश संकेत बताता है कि प्रत्येक मुख्य ऊर्जा स्तर में कितने इलेक्ट्रॉन हैं।

उपकोश संकेत बताता है कि इलेक्ट्रॉन किन \(s\), \(p\), \(d\) या \(f\) उपकोशों में हैं।

यदि किसी प्रश्न में “उपकोश संकेत का उपयोग करके” इलेक्ट्रॉनिक विन्यास लिखने को कहा जाए, तो केवल \(2,8,7\) लिखना पर्याप्त नहीं है।

11परीक्षा प्रश्नों के लिए एक संक्षिप्त विधि

जब आपको मूल-अवस्था विन्यास लिखना हो, तो इस क्रम में काम करें:

1. इलेक्ट्रॉनों की संख्या ज्ञात करें। परमाणु क्रमांक से शुरू करें, फिर आवेश के अनुसार समायोजित करें।
2. सही उपकोश भरें। केवल कोश संख्या नहीं, बल्कि ऊर्जा क्रम का उपयोग करें।
3. क्षमताओं का ध्यान रखें। \(s^2\), \(p^6\), \(d^{10}\), \(f^{14}\)।
4. यदि कक्षक अलग-अलग दिखाए गए हों, तो हंड के नियम का उपयोग करें।
5. संक्रमण-धातु धनायनों के लिए, \(3d\) से पहले \(4s\) से इलेक्ट्रॉन हटाएँ।
6. Cr और Cu जैसे वास्तविक मूल-अवस्था अपवाद याद रखें।
7. अंत में घातांकों को जोड़ें। उनका योग इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या के बराबर होना चाहिए।

यह अंतिम जाँच आश्चर्यजनक रूप से बहुत-सी गलतियाँ पकड़ लेती है।

12प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

एक उदासीन फॉस्फोरस परमाणु का परमाणु क्रमांक 15 है।

लिखें:

a) इसका पूर्ण मूल-अवस्था इलेक्ट्रॉनिक विन्यास, और
b) इसका कोश विन्यास।

समाधान 1

विन्यास क्रमशः \(1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3\) और \(2,8,5\) हैं।

फॉस्फोरस उदासीन है, इसलिए उसके 15 प्रोटॉनों के साथ 15 इलेक्ट्रॉन होते हैं। ऊर्जा क्रम में उपकोश भरने पर मिलता है:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3
\]

कुल संख्या है:

\[
2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15
\]

इसे कोश संकेत में बदलने के लिए समान मुख्य कोश संख्या वाले इलेक्ट्रॉनों को एक साथ समूहित करें:

• \(n=1\): \(1s^2\), अर्थात 2 इलेक्ट्रॉन
• \(n=2\): \(2s^2 + 2p^6\), अर्थात 8 इलेक्ट्रॉन
• \(n=3\): \(3s^2 + 3p^3\), अर्थात 5 इलेक्ट्रॉन

अतः:

\[
\boxed{2,8,5}
\]

एक सामान्य गलती \(3p^3\) के घातांक को तीसरे कोश में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या समझ लेना है। \(3s^2\) के इलेक्ट्रॉनों को भी शामिल करना आवश्यक है।

प्रश्न 2

एक ऑक्साइड आयन को \(\mathrm{O}^{2-}\) के रूप में लिखा जाता है। ऑक्सीजन का परमाणु क्रमांक 8 है।

आयन का पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक विन्यास लिखें और समझाएँ कि इसमें उदासीन ऑक्सीजन परमाणु से अधिक इलेक्ट्रॉन क्यों होते हैं।

समाधान 2

ऑक्साइड आयन का विन्यास \(1s^2\,2s^2\,2p^6\) है क्योंकि इसमें 10 इलेक्ट्रॉन होते हैं।

उदासीन ऑक्सीजन में 8 इलेक्ट्रॉन होते हैं:

\[
\ce{O}: 1s^2\,2s^2\,2p^4
\]

\(2-\) आवेश का अर्थ है कि परमाणु ने दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त किए हैं:

\[
8 + 2 = 10 \text{ इलेक्ट्रॉन}
\]

10 इलेक्ट्रॉन भरने पर मिलता है:

\[
\boxed{\mathrm{O}^{2-}: 1s^2\,2s^2\,2p^6}
\]

ऋणात्मक आवेश का अर्थ यह नहीं है कि इलेक्ट्रॉनों की संख्या ऋणात्मक है। इसका अर्थ है कि धनावेशित प्रोटॉनों की तुलना में दो अतिरिक्त ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन मौजूद हैं।

प्रश्न 3

एक विद्यार्थी नाइट्रोजन के तीन \(2p\) इलेक्ट्रॉनों के लिए मूल-अवस्था कक्षक व्यवस्था इस प्रकार देता है:

\[
[\uparrow\downarrow]\ [\uparrow]\ [\ ]
\]

समझाइए कि इस व्यवस्था में क्या गलत है और सही \(2p\) व्यवस्था बनाइए।

समाधान 3

यह व्यवस्था गलत है क्योंकि हंड के नियम के अनुसार समान ऊर्जा वाले तीनों \(2p\) कक्षकों में इलेक्ट्रॉन पहले एक-एक करके भरते हैं और उसके बाद ही किसी कक्षक में जोड़ी बनती है।

नाइट्रोजन का विन्यास है:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^3
\]

इसलिए तीनों \(2p\) इलेक्ट्रॉन अलग-अलग \(p\) कक्षकों में स्थित होते हैं:

\[
\boxed{[\uparrow]\ [\uparrow]\ [\uparrow]}
\]

विद्यार्थी की व्यवस्था किसी कक्षक की दो-इलेक्ट्रॉन क्षमता का उल्लंघन नहीं करती, इसलिए वह देखने में उचित लग सकती है। समस्या यह है कि यह न्यूनतम-ऊर्जा व्यवस्था नहीं है। जोड़ी बनना तभी शुरू होता है जब उस उपकोश के प्रत्येक कक्षक में पहले एक इलेक्ट्रॉन मौजूद हो।

प्रश्न 4

लौह का परमाणु क्रमांक 26 है। एक विद्यार्थी लिखता है:

\[
\ce{Fe}: [Ar]\,4s^2\,3d^6
\]

फिर वह तर्क देता है कि \(\mathrm{Fe}^{3+}\) का विन्यास होना चाहिए:

\[
\ce{[Ar]\,4s^2\,3d^3}
\]

क्योंकि “\(3d\) इलेक्ट्रॉन \(4s\) इलेक्ट्रॉनों के बाद जोड़े गए थे, इसलिए उन्हें पहले हटाया जाना चाहिए”।

\(\mathrm{Fe}^{3+}\) का सही विन्यास दीजिए और विद्यार्थी के तर्क की त्रुटि समझाइए।

समाधान 4

सही विन्यास \(\ce{[Ar]\,3d^5}\) है।

उदासीन लौह है:

\[
\ce{Fe}: [Ar]\,4s^2\,3d^6
\]

\(\mathrm{Fe}^{3+}\) बनाने के लिए तीन इलेक्ट्रॉन हटाने होंगे। संक्रमण-धातु धनायन में \(3d\) इलेक्ट्रॉनों से पहले \(4s\) इलेक्ट्रॉन हटाए जाते हैं।

पहले दो \(4s\) इलेक्ट्रॉन हटाएँ:

\[
\ce{[Ar]\,3d^6}
\]

फिर एक \(3d\) इलेक्ट्रॉन हटाएँ:

\[
\boxed{\mathrm{Fe}^{3+}: [Ar]\,3d^5}
\]

विद्यार्थी ने उदासीन परमाणु के भरने के क्रम को ऐसा मान लिया है जैसे वही इलेक्ट्रॉन हटाने का क्रम भी निर्धारित करता हो। ऐसा नहीं है। भरे हुए कक्षकों की सापेक्ष ऊर्जाएँ इलेक्ट्रॉन व्यवस्था से स्वतंत्र रूप से स्थिर नहीं रहतीं, और इन संक्रमण-धातु धनायनों में \(4s\) इलेक्ट्रॉन पहले हटाए जाते हैं।

इलेक्ट्रॉन-संख्या की जाँच परिणाम की पुष्टि करती है। उदासीन लौह में 26 इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए \(\mathrm{Fe}^{3+}\) में होंगे:

\[
26 – 3 = 23
\]

विन्यास \(\ce{[Ar]\,3d^5}\) में हैं:

\[
18 + 5 = 23
\]

इलेक्ट्रॉन।

प्रश्न 5

कॉपर का परमाणु क्रमांक 29 है और इसका मूल-अवस्था विन्यास है:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

एक काल्पनिक विद्यार्थी दो दावे करता है:

1. \(\mathrm{Cu}^{+}\) का विन्यास \(\ce{[Ar]\,4s^1\,3d^9}\) होना चाहिए क्योंकि \(d\) उपकोश सबसे अंत में लिखा गया है।
2. \(\mathrm{Cu}^{2+}\) में \(3d\) उपकोश पूर्ण रूप से भरा होना चाहिए क्योंकि कॉपर \(3d^{10}\) को “पसंद” करता है।

दोनों दावों का मूल्यांकन करें और \(\mathrm{Cu}^{+}\) तथा \(\mathrm{Cu}^{2+}\) के सही विन्यास दें।

समाधान 5

दोनों दावे गलत हैं। सही विन्यास \(\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}\) और \(\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9\) हैं।

प्रेक्षित मूल-अवस्था विन्यास से शुरू करें:

\[
\ce{Cu}: [Ar]\,4s^1\,3d^{10}
\]

\(\mathrm{Cu}^{+}\) के लिए एक इलेक्ट्रॉन हटाया जाता है। \(3d\) इलेक्ट्रॉन से पहले \(4s\) इलेक्ट्रॉन हटाया जाता है:

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{+}: [Ar]\,3d^{10}}
\]

उदासीन कॉपर में 29 इलेक्ट्रॉन होते हैं, इसलिए \(\mathrm{Cu}^{+}\) में 28 इलेक्ट्रॉन होने चाहिए। ऊपर दिए गए विन्यास में हैं:

\[
18 + 10 = 28
\]

\(\mathrm{Cu}^{2+}\) के लिए एक और इलेक्ट्रॉन हटाना आवश्यक है। अब \(4s\) उपकोश खाली है, इसलिए वह इलेक्ट्रॉन \(3d\) से आता है:

\[
\boxed{\mathrm{Cu}^{2+}: [Ar]\,3d^9}
\]

इसमें हैं:

\[
18 + 9 = 27
\]

इलेक्ट्रॉन, जैसा कि \(2+\) आयन के लिए आवश्यक है।

पहला दावा इसलिए गलत है क्योंकि उपकोशों को जिस क्रम में लिखा जाता है, वह इलेक्ट्रॉन हटाने का नियम नहीं है।

दूसरा दावा कॉपर की उदासीन मूल-अवस्था के बारे में उपयोगी अवलोकन को एक निरपेक्ष नियम में बदल देता है। पूर्ण \(3d\) उपकोश कॉपर को एक और इलेक्ट्रॉन खोने से नहीं रोकता। एक बार \(\mathrm{Cu}^{2+}\) बन जाने पर, उसकी इलेक्ट्रॉन संख्या के अनुसार विन्यास \(3d^9\) होना आवश्यक है।

अपवादों के बारे में सोचने का यह अधिक उपयोगी तरीका है: प्रयोगात्मक रूप से स्थापित मूल-अवस्था विन्यास का उपयोग करें, आयनीकरण नियम सही ढंग से लागू करें, और प्रत्येक प्रजाति को किसी पसंदीदा दिखने वाले पैटर्न में जबरन फिट करने के बजाय अंतिम इलेक्ट्रॉन संख्या की जाँच करें।

13इलेक्ट्रॉनिक विन्यास आगे क्या समझाता है

जब आप इलेक्ट्रॉन संख्या, कोशों, उपकोशों, कक्षकों और आयनों के बीच आत्मविश्वास से संबंध बना सकते हैं, तो आगे आने वाले कई विचार अलग-अलग तथ्यों की तरह दिखना बंद कर देते हैं।

आवर्त सारणी में किसी तत्व की स्थिति उसके मूल-अवस्था विन्यास की संरचना को दर्शाती है। संयोजकता इलेक्ट्रॉन सामान्य आयनिक आवेशों और रासायनिक बंधन को समझाने में मदद करते हैं। अयुग्मित इलेक्ट्रॉन चुंबकीय व्यवहार को समझाने में मदद करते हैं, और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों के बीच परिवर्तन इलेक्ट्रॉनिक संरचना को परमाणु उत्सर्जन स्पेक्ट्रा से जोड़ते हैं।

इसलिए जब आगे किसी रसायन विज्ञान के प्रश्न में पूछा जाए कि कोई तत्व किसी विशेष तरीके से क्यों अभिक्रिया करता है, तो इलेक्ट्रॉनिक विन्यास अक्सर देखने की पहली जगह होती है। यह बताता है कि कौन-से इलेक्ट्रॉन उपस्थित हैं, किन्हें हटाना या साझा करना सबसे आसान है, और आगे कौन-सी व्यवस्थाएँ उपलब्ध हैं।