ভিএসইপিআর জ্যামিতি ও আণবিক পোলারতা

কেন্দ্রীয় পরমাণুর চারপাশে ইলেকট্রন ডোমেইন গোনা

ভিএসইপিআর শুরু হয় একটি সঠিক লুইস কাঠামো থেকে। কেন্দ্রীয় পরমাণুর চারপাশে ইলেকট্রন ডোমেইন গুনুন: প্রতিটি নিঃসঙ্গ জোড় একটি ডোমেইন, এবং অন্য পরমাণুর সঙ্গে প্রতিটি বন্ধন একটি ডোমেইন, তা একক, দ্বি বা ত্রি-বন্ধন যা-ই হোক। মোট সংখ্যাকে প্রায়ই স্টেরিক সংখ্যা বলা হয়। দ্বি-বন্ধন একবারই গোনা হয়, কারণ এর ইলেকট্রন দুটি পরমাণুর মাঝের স্থানের একই অঞ্চল দখল করে।

স্টেরিক সংখ্যা ইলেকট্রন-ডোমেইন জ্যামিতি ঠিক করে, অর্থাৎ যে বিন্যাস ডোমেইনগুলোকে সবচেয়ে দূরে রাখে। দুটি ডোমেইন রৈখিক (180°), তিনটি ত্রিকোণীয় সমতলীয় (120°), চারটি চতুস্তলকীয় (109.5°), পাঁচটি ত্রিকোণীয় দ্বিপিরামিডীয় (90° ও 120°) এবং ছয়টি অষ্টতলকীয় (90°)।

একটি সংক্ষিপ্ত লেবেল গণনার হিসাব রাখে। AXₘEₙ নোটেশনে A হলো কেন্দ্রীয় পরমাণু, m হলো বন্ধনযুক্ত পরমাণু X-এর সংখ্যা এবং n হলো কেন্দ্রীয় পরমাণুর নিঃসঙ্গ জোড় E-এর সংখ্যা। পানি হলো AX₂E₂: দুটি বন্ধনযুক্ত পরমাণু ও দুটি নিঃসঙ্গ জোড়, স্টেরিক সংখ্যা 4।

ইলেকট্রন-ডোমেইন জ্যামিতি বনাম আণবিক আকৃতি

নিঃসঙ্গ জোড় জায়গা নেয়, কিন্তু সেগুলো পরমাণু নয়, তাই আণবিক আকৃতির নামে সেগুলো অদৃশ্য। আণবিক জ্যামিতি কেবল বর্ণনা করে পরমাণুগুলো কোথায় বসে। কেন্দ্রীয় পরমাণুতে কোনো নিঃসঙ্গ জোড় না থাকলে দুটি জ্যামিতি একই; নিঃসঙ্গ জোড় থাকলে ভিন্ন।

ত্রিকোণীয় দ্বিপিরামিডে অবস্থানগুলো সমতুল্য নয়: তিনটি নিরক্ষীয় অবস্থান 120° দূরে এবং দুটি অক্ষীয় অবস্থান নিরক্ষ থেকে 90° দূরে। নিঃসঙ্গ জোড় আগে নিরক্ষীয় অবস্থানে যায়, কারণ নিরক্ষীয় স্থানে 90°-তে কেবল দুটি প্রতিবেশী, আর অক্ষীয় স্থানে তিনটি।

• স্টেরিক সংখ্যা 3: AX₃ ত্রিকোণীয় সমতলীয়; AX₂E বাঁকা, কোণ 120°-এর কম।
• স্টেরিক সংখ্যা 4: AX₄ চতুস্তলকীয়; AX₃E ত্রিকোণীয় পিরামিডীয়; AX₂E₂ বাঁকা, কোণ 109.5°-এর কম।
• স্টেরিক সংখ্যা 5: AX₅ ত্রিকোণীয় দ্বিপিরামিডীয়; AX₄E সিসো আকৃতি; AX₃E₂ T-আকৃতি; AX₂E₃ রৈখিক।
• স্টেরিক সংখ্যা 6: AX₆ অষ্টতলকীয়; AX₅E বর্গাকার পিরামিডীয়; AX₄E₂ বর্গাকার সমতলীয়।

নিঃসঙ্গ জোড় কেন বন্ধন কোণ সংকুচিত করে

একটি নিঃসঙ্গ জোড় কেবল একটি নিউক্লিয়াসের দ্বারা ধরা থাকে, তাই কেন্দ্রীয় পরমাণুর কাছে তার ইলেকট্রন ঘনত্ব বন্ধন জোড়ের চেয়ে বেশি ছড়ায়। তাই বিকর্ষণের ক্রম হলো নিঃসঙ্গ জোড়–নিঃসঙ্গ জোড় > নিঃসঙ্গ জোড়–বন্ধন জোড় > বন্ধন জোড়–বন্ধন জোড়, এবং প্রতিটি যুক্ত নিঃসঙ্গ জোড় বাকি বন্ধনগুলোকে আরও কাছাকাছি চেপে ধরে।

চতুস্তলকীয় পরিবার প্রবণতাটি দেখায়। নিঃসঙ্গ জোড়হীন মিথেন, CH₄-এর H–C–H কোণ 109.5°। একটি নিঃসঙ্গ জোড়যুক্ত অ্যামোনিয়া, NH₃-এর H–N–H কোণ একটু ছোট। দুটি নিঃসঙ্গ জোড়যুক্ত পানির H–O–H কোণ 104.5°, যা OpenStax Chemistry 2e-তে দেওয়া মান। বহু-বন্ধনের প্রভাব অনুরূপ কিন্তু ছোট, কারণ দ্বি-বন্ধন একক বন্ধনের চেয়ে বেশি ইলেকট্রন ঘনত্ব ধারণ করে।

ভিএসইপিআর এই বিচ্যুতিগুলোর দিক নির্ভরযোগ্যভাবে অনুমান করে, কিন্তু সঠিক পরিমাণ নয়। নিঃসঙ্গ জোড়যুক্ত অণুর কোণ জানতে চাওয়া হলে, মাপা উপাত্ত না থাকলে আদর্শ মানের ‘সামান্য কম’ উত্তর দিন।

সমাধান করা উদাহরণ: ক্লোরিন ট্রাইফ্লোরাইড ও জেনন টেট্রাফ্লোরাইড

ক্লোরিন ট্রাইফ্লোরাইড, ClF₃। যোজ্যতা ইলেকট্রন: 7 + 3(7) = 28। তিনটি Cl–F একক বন্ধনে 6টি ইলেকট্রন লাগে, এবং তিনটি ফ্লোরিনের অষ্টক পূর্ণ করতে লাগে 3 × 6 = 18, মোট 24। বাকি 4টি ইলেকট্রন ক্লোরিনে দুটি নিঃসঙ্গ জোড় হিসেবে যায়। ক্লোরিনের তিনটি বন্ধন ও দুটি নিঃসঙ্গ জোড়, তাই এটি AX₃E₂, স্টেরিক সংখ্যা 5 এবং ত্রিকোণীয় দ্বিপিরামিডীয় ইলেকট্রন-ডোমেইন জ্যামিতি।

দুটি নিঃসঙ্গ জোড়ই নিরক্ষীয় অবস্থান নেয়। এতে নিরক্ষীয় সমতলে একটি ফ্লোরিন এবং অক্ষীয় অবস্থানে দুটি থাকে, তাই পরমাণুগুলো T আকৃতি তৈরি করে। নিঃসঙ্গ জোড় অক্ষীয় ফ্লোরিনদের নিরক্ষীয়টির দিকে ঠেলে দেয়, তাই F–Cl–F কোণ 90°-এর সামান্য কম। T আকৃতিতে তিনটি Cl–F বন্ধন দ্বিমেরু বাতিল হয় না, তাই ClF₃ পোলার।

জেনন টেট্রাফ্লোরাইড, XeF₄। যোজ্যতা ইলেকট্রন: 8 + 4(7) = 36। চারটি Xe–F বন্ধনে 8টি ইলেকট্রন লাগে এবং ফ্লোরিনের নিঃসঙ্গ জোড়ে লাগে 4 × 6 = 24, মোট 32। বাকি 4টি ইলেকট্রন জেননে দুটি নিঃসঙ্গ জোড়। চারটি বন্ধন ও দুটি নিঃসঙ্গ জোড়সহ জেনন AX₄E₂, স্টেরিক সংখ্যা 6, অষ্টতলকীয় ইলেকট্রন-ডোমেইন জ্যামিতি।

অষ্টতলকে প্রতিটি অবস্থান সমতুল্য, তাই প্রথম নিঃসঙ্গ জোড় যেকোনো জায়গায় যেতে পারে; দ্বিতীয়টি নিঃসঙ্গ জোড়–নিঃসঙ্গ জোড় বিকর্ষণ কমাতে ঠিক বিপরীতে, 180° দূরে যায়। তখন চারটি ফ্লোরিন প্রতিবেশীদের থেকে 90° কোণে একটি সমতলে থাকে: বর্গাকার সমতলীয়। প্রতিটি Xe–F বন্ধন পোলার, কিন্তু বিপরীত বন্ধনগুলো ঠিক উল্টো দিকে নির্দেশ করে, তাই দ্বিমেরু বাতিল হয় এবং XeF₄ অপোলার।

আণবিক পোলারতা বের করতে বন্ধন দ্বিমেরু যোগ করা

ভিন্ন তড়িৎঋণাত্মকতার পরমাণুর মধ্যকার বন্ধন পোলার, যেখানে বেশি তড়িৎঋণাত্মক পরমাণুতে আংশিক ঋণাত্মক চার্জ (δ−) থাকে। প্রতিটি বন্ধন দ্বিমেরুর একটি মান ও একটি দিক আছে, তাই এটি ভেক্টরের মতো আচরণ করে। আণবিক দ্বিমেরু ভ্রামক হলো সব বন্ধন দ্বিমেরুর ভেক্টর যোগফল, যা সাধারণত ডিবাই এককে লেখা হয় (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m)।

অভিন্ন বন্ধনগুলো কেন্দ্রীয় পরমাণুর চারপাশে প্রতিসমভাবে সাজানো থাকলে বন্ধন দ্বিমেরু বাতিল হয়। সব X পরমাণু একই হলে AX₂ রৈখিক, AX₃ ত্রিকোণীয় সমতলীয়, AX₄ চতুস্তলকীয়, AX₅ ত্রিকোণীয় দ্বিপিরামিডীয় এবং AX₆ অষ্টতলকীয় অণুর ক্ষেত্রে এটি ঘটে, এবং AX₄E₂ বর্গাকার সমতলীয় ও AX₂E₃ রৈখিক আকৃতির ক্ষেত্রেও ঘটে, যেখানে নিঃসঙ্গ জোড় প্রতিসমভাবে সাজানো এবং প্রতিটি বন্ধন সরাসরি একটি অভিন্ন বন্ধনের বিপরীতে থাকে। আকৃতি ও প্রতিস্থাপকের অন্য সংমিশ্রণ সাধারণত একটি নিট দ্বিমেরু রেখে যায়।

সমাধান করা তুলনা: সালফার ডাইঅক্সাইড ও সালফার ট্রাইঅক্সাইড। SO₂-তে 6 + 2(6) = 18টি যোজ্যতা ইলেকট্রন; এর লুইস কাঠামো সালফারে দুটি বন্ধন ডোমেইন ও একটি নিঃসঙ্গ জোড় বসায় (AX₂E), তাই অণুটি বাঁকা। দুটি S–O দ্বিমেরু আংশিকভাবে একই দিকে নির্দেশ করে, তাদের যোগফল শূন্য নয়, এবং SO₂ পোলার। SO₃-তে 6 + 3(6) = 24টি যোজ্যতা ইলেকট্রন এবং সালফারে তিনটি বন্ধন ডোমেইন, কোনো নিঃসঙ্গ জোড় নেই (AX₃), তাই এটি ত্রিকোণীয় সমতলীয়। 120° দূরত্বে থাকা তিনটি সমান দ্বিমেরুর যোগফল শূন্য, এবং SO₃-এর প্রতিটি বন্ধন পোলার হলেও এটি অপোলার।

আকৃতি ও পোলারতার সাধারণ ভুল

বেশিরভাগ ভুল আসে লুইস কাঠামো বাদ দেওয়া থেকে, অথবা পাতার সমতল চিত্রকে প্রকৃত আকৃতি ধরে পড়া থেকে। একটি দ্রুত রুটিন সেগুলো ধরে ফেলে: লুইস কাঠামো আঁকুন, কেন্দ্রীয় পরমাণুর ডোমেইন গুনুন, ইলেকট্রন-ডোমেইন জ্যামিতির নাম বলুন, আণবিক আকৃতির নাম বলতে নিঃসঙ্গ জোড়গুলো সরিয়ে নিন, তারপর ত্রিমাত্রায় বন্ধন দ্বিমেরু যোগ করুন।

একটি ভৌত মডেল বা সতর্ক কীলক-ও-ড্যাশ চিত্র শেষ ধাপে সাহায্য করে। অণুটি এমনভাবে ঘোরাতে পারলে যাতে একটি বন্ধন দ্বিমেরুর বিপরীত দিকে নির্দেশ করা কোনো সঙ্গী না থাকে, তবে অণুটি পোলার। প্রতিটি বন্ধনের বিপরীত পাশে একটি অভিন্ন বন্ধন থাকলে, বা 120°-এ তিনটি বন্ধনের মতো প্রতিসম সেট থাকলে, এটি অপোলার।

• প্রশ্নে আণবিক আকৃতি চাইলে ইলেকট্রন-ডোমেইন জ্যামিতির নাম বলা। পানির ডোমেইন চতুস্তলকীয়; এর আকৃতি বাঁকা।
• কেন্দ্রীয় পরমাণুর নিঃসঙ্গ জোড় ভুলে যাওয়া, যা ভুলবশত NH₃-কে ত্রিকোণীয় সমতলীয় অণু বানিয়ে দেয়।
• দ্বি বা ত্রি-বন্ধনকে দুটি বা তিনটি ডোমেইন গোনা।
• বন্ধন পোলার বলেই অণুকে পোলার ধরা, দ্বিমেরু বাতিল হয় কি না না দেখে।
• সমতল চিত্র থেকে প্রতিসাম্য বিচার করা। CH₂Cl₂ কাগজে প্রতিসম দেখায়, কিন্তু এটি চতুস্তলকীয় এবং দুই ধরনের বন্ধনযুক্ত, তাই এটি পোলার।
• ত্রিকোণীয় দ্বিপিরামিডের অক্ষীয় অবস্থানে নিঃসঙ্গ জোড় বসানো, যা SF₄, ClF₃ ও XeF₂-এর জন্য ভুল আকৃতি দেয়।