spdf संकेतन: इलेक्ट्रॉन विन्यास और संयोजक इलेक्ट्रॉन

क्लोरीन परमाणु में 17 इलेक्ट्रॉन होते हैं। हो सकता है कि आप इसका शेल विन्यास पहले से \(2,8,7\) के रूप में लिखते हों। इससे एक महत्वपूर्ण बात पता चलती है: क्लोरीन के बाहरी शेल में सात इलेक्ट्रॉन होते हैं। लेकिन इसमें एक ऐसा विवरण छिप जाता है जो HSC Chemistry में आवश्यक हो जाता है। ये इलेक्ट्रॉन केवल तीन बिना किसी आंतरिक संरचना वाले शेलों में नहीं भरे होते।

प्रत्येक शेल के अंदर उपशेल होते हैं, जिन्हें \(s\), \(p\), \(d\), और \(f\) से दर्शाया जाता है। क्लोरीन का अधिक सटीक इलेक्ट्रॉन विन्यास है

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

आगे बढ़ने से पहले एक अनुमान लगाइए। \(3p^5\) में 3, \(p\), और 5 में से प्रत्येक का क्या अर्थ है?

वे तीन अलग-अलग बातें बताते हैं: कौन-सा शेल, किस प्रकार का उपशेल, और उस उपशेल में कितने इलेक्ट्रॉन हैं। जब आप इन तीनों भागों को अलग-अलग पढ़ना सीख लेते हैं, तो spdf संकेतन बहुत कम कठिन लगता है।

01spdf संकेतन वास्तव में क्या दिखाता है

एक अपार्टमेंट बिल्डिंग की कल्पना कीजिए।

शेल संख्या आपको मंज़िल बताती है। उपशेल का अक्षर उस मंज़िल पर कमरे का प्रकार बताता है। ऊपरी सूचकांक बताता है कि उस प्रकार के कमरे में कितने इलेक्ट्रॉन मौजूद हैं।

इसलिए \(3p^5\) में:

• \(3\) का अर्थ है तीसरा इलेक्ट्रॉन शेल
• \(p\) का अर्थ है \(p\) उपशेल
• \(5\) का अर्थ है कि उस \(3p\) उपशेल में पाँच इलेक्ट्रॉन हैं

अपार्टमेंट की उपमा उपयोगी है क्योंकि यह संकेतन द्वारा किए जाने वाले इन तीन कार्यों को अलग-अलग समझने में मदद करती है। हालांकि, यह पूरी तरह सटीक नहीं है। इलेक्ट्रॉन ऐसी छोटी गेंदें नहीं हैं जो निश्चित छोटे कमरों में बैठी हों। ऑर्बिटल वे क्षेत्र दर्शाते हैं जो विशेष इलेक्ट्रॉन ऊर्जाओं और प्रायिकता वितरणों से जुड़े होते हैं।

HSC Chemistry के लिए पहला महत्वपूर्ण कदम यह है कि आप संकेतन को सही ढंग से पढ़ और बना सकें।

02शेल, उपशेल और ऑर्बिटल

एक शेल की पहचान उसके मुख्य क्वांटम संख्या, \(n\), से की जाती है। पहले शेल के लिए \(n=1\)। दूसरे शेल के लिए \(n=2\), और इसी प्रकार आगे।

प्रत्येक शेल में एक या अधिक उपशेल हो सकते हैं।

\(s\), \(p\), \(d\), और \(f\) अक्षर विभिन्न प्रकार के उपशेलों के नाम हैं।

प्रत्येक उपशेल में एक निश्चित संख्या में ऑर्बिटल होते हैं, और प्रत्येक ऑर्बिटल में अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं।

इससे वे क्षमताएँ मिलती हैं जिन्हें याद रखना उपयोगी है:

\[
s^2,\qquad p^6,\qquad d^{10},\qquad f^{14}
\]

ऊपरी सूचकांक इलेक्ट्रॉनों की संख्या दर्शाते हैं, सामान्य गणितीय अर्थ में घात नहीं। \(3p^4\) का अर्थ “3p की घात 4” नहीं है। इसका अर्थ है \(3p\) उपशेल में चार इलेक्ट्रॉन।

03इलेक्ट्रॉन विन्यास को पढ़ना

सल्फर पर विचार कीजिए:

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

आप ऊपरी सूचकांकों को जोड़कर विन्यास की जाँच कर सकते हैं:

\[
2+2+6+2+4=16
\]

एक उदासीन सल्फर परमाणु की परमाणु संख्या 16 है, इसलिए उसमें 16 इलेक्ट्रॉन होने चाहिए। गणना मेल खाती है।

यह उन सबसे तेज़ त्रुटि-जाँच विधियों में से एक है जिनका आप उपयोग कर सकते हैं। एक उदासीन परमाणु के लिए:

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

उदाहरण के लिए, यदि आपने फॉस्फोरस, जिसकी परमाणु संख्या 15 है, का इलेक्ट्रॉन विन्यास लिखा और आपके ऊपरी सूचकांकों का योग 16 आया, तो कहीं न कहीं गलती हुई है।

यदि आपको यह दोहराना हो कि परमाणु आयन बनने पर इलेक्ट्रॉनों की संख्या कैसे बदलती है, तो Electronic Configuration for HSC Chemistry: Atoms and Ions देखें।

04इलेक्ट्रॉन अगले शेल में जाने से पहले किसी एक शेल को पूरी तरह नहीं भरते

यही वह भाग है जिसमें अक्सर विद्यार्थी उलझ जाते हैं।

आप यह अनुमान लगा सकते हैं कि इलेक्ट्रॉन शेल 4 में जाने से पहले शेल 3 के हर उपलब्ध उपशेल को भरेंगे। यदि केवल शेल संख्या ही ऊर्जा निर्धारित करती, तो यह तर्कसंगत लगता।

लेकिन ऐसा नहीं है।

इलेक्ट्रॉन उपलब्ध उपशेलों में बढ़ती हुई ऊर्जा के क्रम में जाते हैं। जिन तत्वों से आप सामान्यतः मिलेंगे, उनके लिए भरने के क्रम की शुरुआत इस प्रकार होती है

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

इस असामान्य दिखने वाले भाग पर ध्यान दीजिए:

\[
4s \text{, } 3d \text{ से पहले भरता है}
\]

इसलिए पोटैशियम, जिसमें 19 इलेक्ट्रॉन होते हैं, का विन्यास \(4s^1\) पर समाप्त होता है:

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

यह सीधे \(3d\) में आगे नहीं बढ़ता।

इसे समझने का एक उपयोगी तरीका यह है कि शेल संख्या इलेक्ट्रॉन अवस्था के बारे में कुछ जानकारी देती है, लेकिन अपने आप में पूर्ण ऊर्जा-क्रम नहीं बताती। \(4s\) और \(3d\) उपशेलों की ऊर्जाएँ इस तरह एक-दूसरे के निकट और अतिव्यापित होती हैं कि “मंज़िल 4 पर जाने से पहले मंज़िल 3 पूरी कर लो” वाला सरल मॉडल विफल हो जाता है।

05spdf संकेतन से संयोजक इलेक्ट्रॉनों की पहचान कैसे करें

इलेक्ट्रॉन विन्यास पहली बार सीखते समय जिन मुख्य-समूह तत्वों से आप सामान्यतः मिलते हैं, उनके लिए संयोजक इलेक्ट्रॉन परमाणु के सबसे बाहरी अधिभोगित शेल के इलेक्ट्रॉन होते हैं।

निर्णय का नियम सरल है:

1. इलेक्ट्रॉन विन्यास लिखिए या दिए गए विन्यास को देखिए।
2. सबसे बड़ी शेल संख्या, \(n\), ज्ञात कीजिए।
3. उस शेल संख्या वाले उपशेलों में उपस्थित इलेक्ट्रॉनों की संख्या गिनिए।

फॉस्फोरस को लीजिए:

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

सबसे बड़ी शेल संख्या 3 है।

शेल 3 के इलेक्ट्रॉन हैं

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

इसलिए फॉस्फोरस में

\[
2+3=5
\]

संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

केवल अंतिम ऊपरी सूचकांक को मत देखिए। यदि आपने केवल \(3p^3\) में मौजूद \(3\) को देखा, तो आप गलती से कह सकते हैं कि फॉस्फोरस में तीन संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं। आपको \(3s^2\) के इलेक्ट्रॉनों को भी शामिल करना होगा।

06आवर्त सारणी से एक उपयोगी शॉर्टकट

आवर्त सारणी और spdf संकेतन का आपस में गहरा संबंध है।

सारणी के व्यापक क्षेत्र उस उपशेल के अनुरूप होते हैं जो भरा जा रहा है:

उदाहरण के लिए, क्लोरीन \(p\) ब्लॉक में स्थित है। उसका विन्यास इस पर समाप्त होता है

\[
3p^5
\]

कैल्शियम \(s\) ब्लॉक में है। उसका विन्यास इस पर समाप्त होता है

\[
4s^2
\]

यह केवल याद रखने की तरकीब नहीं है। आवर्त सारणी का आकार उपशेलों की क्षमताओं को दर्शाता है। \(s\) उपशेल में 2 इलेक्ट्रॉन आ सकते हैं, इसलिए \(s\) ब्लॉक दो स्तंभ चौड़ा है। \(p\) उपशेल में 6 इलेक्ट्रॉन आ सकते हैं, इसलिए \(p\) ब्लॉक छह स्तंभ चौड़ा है।

07मुख्य भ्रांति: “संयोजक इलेक्ट्रॉन केवल अंत में लिखे गए इलेक्ट्रॉन होते हैं”

यह बात इतनी बार सही निकलती है कि खतरनाक शॉर्टकट बन सकती है।

क्लोरीन पर विचार कीजिए:

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

अंतिम पद \(3p^5\) है, लेकिन क्लोरीन में पाँच संयोजक इलेक्ट्रॉन नहीं हैं।

उसका सबसे बाहरी शेल, शेल 3, इन दोनों को समाहित करता है

\[
3s^2 \text{ और } 3p^5
\]

इसलिए क्लोरीन में सात संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

कैल्शियम के साथ यह समस्या और स्पष्ट हो जाती है:

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

यहाँ केवल अंतिम पद देखने पर संयोग से दो संयोजक इलेक्ट्रॉनों की सही संख्या मिल जाती है। शॉर्टकट काम कर गया, लेकिन केवल संयोगवश। विश्वसनीय विधि हमेशा पहले सबसे बाहरी अधिभोगित शेल की पहचान करना है।

08संक्रमण धातुओं के साथ सावधान रहें

मुख्य-समूह तत्वों के लिए संयोजक इलेक्ट्रॉनों को सबसे उच्च अधिभोगित शेल के इलेक्ट्रॉनों के रूप में परिभाषित करना साफ़-सुथरे ढंग से काम करता है।

संक्रमण धातुओं में अधिक सावधानी की आवश्यकता होती है।

स्कैंडियम पर विचार कीजिए:

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]

संकेतन \([\ce{Ar}]\) का अर्थ है “आर्गन के समान आंतरिक-इलेक्ट्रॉन विन्यास”। यह बार-बार

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

लिखने से बचने का संक्षिप्त तरीका है।

यदि आप सरल सबसे बाहरी शेल वाली परिभाषा का उपयोग करते हैं, तो स्कैंडियम में सबसे बड़ी शेल संख्या, \(n=4\), वाले दो इलेक्ट्रॉन हैं।

हालांकि, \(3d\) इलेक्ट्रॉन भी संक्रमण धातुओं की रसायनिकी में भाग ले सकता है। इसी कारण संक्रमण धातुओं के संयोजक इलेक्ट्रॉनों की अधिक उन्नत चर्चा में बाहरी \(s\) इलेक्ट्रॉन और निकटवर्ती \(d\) इलेक्ट्रॉन, दोनों शामिल किए जा सकते हैं।

इसलिए मुख्य-समूह वाला शॉर्टकट बिना सोचे-समझे आवर्त सारणी के हर तत्व पर लागू न करें। HSC के प्रश्न में जिस परिभाषा और रासायनिक संदर्भ की जाँच की जा रही हो, उसी का उपयोग करें। मुख्य-समूह इलेक्ट्रॉन विन्यासों के लिए “सबसे उच्च अधिभोगित शेल” साफ़ नियम है।

09spdf संकेतन जाँचने की तेज़ विधि

जब आपको कोई इलेक्ट्रॉन विन्यास दिया गया हो या आपने स्वयं लिखा हो, तो चार बातें जाँचिए।

1. क्या इलेक्ट्रॉनों की संख्या मेल खाती है?

उदासीन परमाणु के लिए ऊपरी सूचकांकों का योग परमाणु संख्या के बराबर होना चाहिए।

2. क्या किसी उपशेल ने अपनी क्षमता से अधिक इलेक्ट्रॉन ले लिए हैं?

याद रखिए:

\[
s^2,\quad p^6,\quad d^{10},\quad f^{14}
\]

इसलिए \(2p^7\) असंभव है।

3. क्या भरने का क्रम सही लगता है?

उदाहरण के लिए, उदासीन परमाणुओं के सामान्य मूल-अवस्था विन्यासों में \(4s\), \(3d\) से पहले भरना शुरू करता है।

4. यदि आप संयोजक इलेक्ट्रॉन ज्ञात कर रहे हैं, तो क्या आपने पूरा बाहरी शेल गिना है?

अंतिम ऊपरी सूचकांक को अपने आप उत्तर न मान लें।

ये चार जाँचें आश्चर्यजनक रूप से बड़ी संख्या में गलतियाँ पकड़ लेती हैं।

10प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

एक उदासीन मैग्नीशियम परमाणु की परमाणु संख्या 12 है। उसका पूर्ण spdf इलेक्ट्रॉन विन्यास लिखिए और संयोजक इलेक्ट्रॉनों की संख्या बताइए।

समाधान 1

इलेक्ट्रॉन विन्यास \(\boxed{1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2}\) है, और मैग्नीशियम में \(\boxed{2}\) संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

एक उदासीन मैग्नीशियम परमाणु में 12 इलेक्ट्रॉन होते हैं। उपलब्ध उपशेलों को क्रम से भरने पर मिलता है

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

इलेक्ट्रॉनों की संख्या जाँचने पर:

\[
2+2+6+2=12
\]

सबसे उच्च अधिभोगित शेल \(n=3\) है। उस शेल में \(3s^2\) है, इसलिए उसमें दो इलेक्ट्रॉन हैं।

इसलिए मैग्नीशियम में दो संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

प्रश्न 2

एक उदासीन परमाणु का इलेक्ट्रॉन विन्यास है

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

तत्व की पहचान कीजिए और उसके संयोजक इलेक्ट्रॉनों की संख्या निर्धारित कीजिए।

समाधान 2

तत्व \(\boxed{\text{फॉस्फोरस}}\) है, और इसमें \(\boxed{5}\) संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

पहले इलेक्ट्रॉनों को जोड़िए:

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

15 इलेक्ट्रॉनों वाले उदासीन परमाणु की परमाणु संख्या 15 होती है, जो फॉस्फोरस है।

सबसे उच्च अधिभोगित शेल \(n=3\) है। इसमें

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

हैं, इसलिए संयोजक इलेक्ट्रॉनों की संख्या है

\[
2+3=5
\]

एक आकर्षक लेकिन गलत तरीका केवल अंतिम ऊपरी सूचकांक को देखकर उत्तर तीन देना है। \(3s\) इलेक्ट्रॉन भी उसी बाहरी शेल में हैं और उन्हें भी गिनना चाहिए।

प्रश्न 3

एक विद्यार्थी किसी उदासीन परमाणु के लिए यह मूल-अवस्था इलेक्ट्रॉन विन्यास प्रस्तावित करता है:

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^7
\]

उसका तर्क है कि ऊपरी सूचकांकों का योग 19 है, इसलिए यह विन्यास पोटैशियम का होना चाहिए। समझाइए कि क्या यह विन्यास मान्य है, और यदि आवश्यक हो तो सही विन्यास लिखिए।

समाधान 3

यह विन्यास \(\boxed{\text{अमान्य}}\) है। पोटैशियम का सही मूल-अवस्था विन्यास है

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

विद्यार्थी की इलेक्ट्रॉन-गणना सही है:

\[
2+2+6+2+7=19
\]

लेकिन केवल इलेक्ट्रॉनों की गिनती ही एकमात्र जाँच नहीं है।

एक \(p\) उपशेल में तीन ऑर्बिटल होते हैं, और प्रत्येक ऑर्बिटल में अधिकतम दो इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं। इसलिए इसमें अधिकतम

\[
3\times2=6
\]

इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं।

\(3p^7\) पद असंभव है।

\(3p\) में छह इलेक्ट्रॉनों की क्षमता पूरी होने के बाद अगला इलेक्ट्रॉन \(4s\) में जाता है। इसलिए पोटैशियम है

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

यहाँ जाल यह मान लेना है कि यदि कुल इलेक्ट्रॉन संख्या सही है, तो इलेक्ट्रॉन विन्यास भी अवश्य सही होगा।

प्रश्न 4

दो विद्यार्थी इस विन्यास पर चर्चा कर रहे हैं

\[
1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^{10}\,4p^3
\]

विद्यार्थी A कहता है कि परमाणु में तीन संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं क्योंकि अंतिम पद \(4p^3\) है।

विद्यार्थी B कहता है कि इसमें पाँच संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

निर्धारित कीजिए कि कौन-सी इलेक्ट्रॉन संख्या सही है, तत्व की पहचान कीजिए, और तर्क समझाइए।

समाधान 4

परमाणु \(\boxed{\text{आर्सेनिक}}\) है, और इस मुख्य-समूह परमाणु के लिए संयोजक इलेक्ट्रॉनों की सही संख्या \(\boxed{5}\) है।

पहले सभी इलेक्ट्रॉनों को गिनिए:

\[
2+2+6+2+6+2+10+3=33
\]

33 इलेक्ट्रॉनों वाले उदासीन परमाणु की परमाणु संख्या 33 होती है, इसलिए परमाणु आर्सेनिक है।

सबसे उच्च अधिभोगित शेल \(n=4\) है। उस शेल से संबंधित उपशेल हैं

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

इसलिए संयोजक इलेक्ट्रॉनों की संख्या है

\[
2+3=5
\]

विद्यार्थी A की गलती यह है कि वह “अंत में लिखा गया उपशेल” को “पूरा संयोजक शेल” मान रहा है। \(4s^2\) इलेक्ट्रॉन भी शेल 4 में हैं।

\(3d^{10}\) इलेक्ट्रॉनों को बाहरी-शेल इलेक्ट्रॉन नहीं गिना जाता क्योंकि उनकी शेल संख्या \(n=3\) है, भले ही लिखित भरने के क्रम में वे \(4s^2\) के बाद दिखाई देते हैं।

प्रश्न 5

एक विद्यार्थी यह नियम बनाता है:

“किसी परमाणु के संयोजक इलेक्ट्रॉन ज्ञात करने के लिए, उसके spdf विन्यास में सबसे बड़ी संख्या खोजिए और उस संख्या के साथ जुड़े हर ऊपरी सूचकांक को जोड़ दीजिए।”

वह इस नियम को सेलेनियम पर आज़माता है:

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^{10}\,4p^4
\]

और छह संयोजक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है।

फिर वह दावा करता है कि यही नियम संक्रमण धातुओं सहित हर तत्व के रासायनिक रूप से उपलब्ध संयोजक इलेक्ट्रॉनों का पूर्ण विवरण देता है।

इस नियम का मूल्यांकन कीजिए।

समाधान 5

यह नियम \(\boxed{\text{मुख्य-समूह परमाणुओं के बाहरी-शेल इलेक्ट्रॉनों की पहचान के लिए विश्वसनीय है, लेकिन संक्रमण धातुओं के संयोजक इलेक्ट्रॉनों के लिए यह पूर्ण सामान्य नियम नहीं है}}\)।

सेलेनियम के लिए यह नियम पूरी तरह काम करता है। सबसे बड़ी शेल संख्या \(n=4\) है, और अधिभोगित \(n=4\) उपशेल हैं

\[
4s^2\,4p^4
\]

इसलिए सेलेनियम में

\[
2+4=6
\]

बाहरी-शेल संयोजक इलेक्ट्रॉन हैं।

इस नियम के पीछे छिपी हुई धारणा यह है कि केवल सबसे बड़े \(n\) मान वाले शेल के इलेक्ट्रॉन ही रासायनिक व्यवहार में महत्वपूर्ण रूप से भाग ले सकते हैं।

मुख्य-समूह तत्वों के लिए यह एक उपयोगी मॉडल है, लेकिन संक्रमण धातुएँ इसे अधिक जटिल बना देती हैं। उनके \((n-1)d\) इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा बाहरी \(ns\) इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा के इतनी निकट हो सकती है कि दोनों बंध निर्माण और आयन निर्माण में भाग ले सकें।

उदाहरण के लिए, स्कैंडियम का विन्यास है

\[
[\ce{Ar}]\,4s^2\,3d^1
\]

सबसे उच्च शेल वाला नियम उसके दो \(4s\) इलेक्ट्रॉनों को बाहरी-शेल इलेक्ट्रॉन के रूप में पहचानता है। हालांकि, \(3d\) इलेक्ट्रॉन भी स्कैंडियम की रसायनिकी के लिए प्रासंगिक है।

इसलिए नियम को अधिक सावधानी से इस प्रकार कहा जाना चाहिए:

मुख्य-समूह परमाणुओं के लिए, सबसे उच्च अधिभोगित शेल ज्ञात कीजिए और सामान्य संयोजक-इलेक्ट्रॉन संख्या निर्धारित करने के लिए उसके इलेक्ट्रॉनों को गिनिए। संक्रमण धातुओं के लिए, “संयोजक इलेक्ट्रॉन” का अर्थ रासायनिक संदर्भ पर निर्भर करता है और इसमें \(d\) इलेक्ट्रॉन भी शामिल हो सकते हैं।

यह अंतर तब उपयोगी हो जाता है जब आप इलेक्ट्रॉन विन्यास से आगे बढ़कर आवर्त प्रवृत्तियों, आयन निर्माण और रासायनिक बंधन का अध्ययन करते हैं। spdf संकेतन केवल \(2,8,7\) लिखने का लंबा तरीका नहीं है। यह दिखाता है कि प्रत्येक शेल के भीतर इलेक्ट्रॉन किस प्रकार व्यवस्थित हैं, और यही वह विवरण है जिसकी आवश्यकता यह समझाने के लिए पड़ती है कि आवर्त सारणी के अलग-अलग भाग अलग-अलग व्यवहार क्यों करते हैं।