VSEPR ભૂમિતિ અને આણ્વિક ધ્રુવીયતા

કેન્દ્રીય પરમાણુની આસપાસ ઇલેક્ટ્રૉન ક્ષેત્રો ગણવા

VSEPR સાચી લુઇસ રચનાથી શરૂ થાય છે. કેન્દ્રીય પરમાણુની આસપાસ, ઇલેક્ટ્રૉન ક્ષેત્રો ગણો: દરેક એકાકી જોડ એક ક્ષેત્ર છે, અને બીજા પરમાણુ સાથેનો દરેક બંધ એક ક્ષેત્ર છે, ભલે તે એકલ, દ્વિ કે ત્રિબંધ હોય. કુલને ઘણી વાર સ્ટેરિક સંખ્યા કહેવાય છે. દ્વિબંધ એક વાર ગણાય છે કારણ કે તેના ઇલેક્ટ્રૉન બે પરમાણુઓ વચ્ચે અવકાશના એ જ વિસ્તારમાં રહે છે.

સ્ટેરિક સંખ્યા ઇલેક્ટ્રૉન-ક્ષેત્ર ભૂમિતિ નક્કી કરે છે, એટલે ક્ષેત્રોને સૌથી દૂર રાખતી ગોઠવણ. બે ક્ષેત્રો રેખીય (180°) છે, ત્રણ ત્રિકોણીય સમતલીય (120°) છે, ચાર ચતુષ્ફલકીય (109.5°) છે, પાંચ ત્રિકોણીય દ્વિપિરામિડીય (90° અને 120°) છે, અને છ અષ્ટફલકીય (90°) છે.

ટૂંકું લેબલ ગણતરીનો હિસાબ રાખે છે. AXₘEₙ સંકેતનમાં, A કેન્દ્રીય પરમાણુ છે, m બંધાયેલા પરમાણુઓ X ની સંખ્યા છે, અને n કેન્દ્રીય પરમાણુ પરની એકાકી જોડ E ની સંખ્યા છે. પાણી AX₂E₂ છે: બે બંધાયેલા પરમાણુઓ અને બે એકાકી જોડ, સ્ટેરિક સંખ્યા 4.

ઇલેક્ટ્રૉન-ક્ષેત્ર ભૂમિતિ વિરુદ્ધ આણ્વિક આકાર

એકાકી જોડ જગ્યા રોકે છે, પરંતુ તે પરમાણુઓ નથી, તેથી તે આણ્વિક આકારના નામમાં અદૃશ્ય છે. આણ્વિક ભૂમિતિ ફક્ત પરમાણુઓ ક્યાં બેસે છે તે વર્ણવે છે. જ્યારે કેન્દ્રીય પરમાણુ પર એકાકી જોડ ન હોય, ત્યારે બંને ભૂમિતિઓ સરખી હોય છે; જ્યારે એકાકી જોડ હોય, ત્યારે તે અલગ હોય છે.

ત્રિકોણીય દ્વિપિરામિડમાં સ્થાનો સમતુલ્ય નથી: ત્રણ વિષુવવૃત્તીય સ્થાનો 120° અંતરે છે અને બે અક્ષીય સ્થાનો વિષુવવૃત્તથી 90° પર છે. એકાકી જોડ પહેલા વિષુવવૃત્તીય સ્થાનોએ જાય છે, કારણ કે વિષુવવૃત્તીય સ્થાનને 90° પર માત્ર બે પડોશી હોય છે જ્યારે અક્ષીય સ્થાનને ત્રણ.

• સ્ટેરિક સંખ્યા 3: AX₃ ત્રિકોણીય સમતલીય; AX₂E વળેલો, ખૂણો 120° કરતાં ઓછો.
• સ્ટેરિક સંખ્યા 4: AX₄ ચતુષ્ફલકીય; AX₃E ત્રિકોણીય પિરામિડીય; AX₂E₂ વળેલો, ખૂણા 109.5° કરતાં ઓછા.
• સ્ટેરિક સંખ્યા 5: AX₅ ત્રિકોણીય દ્વિપિરામિડીય; AX₄E સી-સો આકાર; AX₃E₂ T-આકાર; AX₂E₃ રેખીય.
• સ્ટેરિક સંખ્યા 6: AX₆ અષ્ટફલકીય; AX₅E ચોરસ પિરામિડીય; AX₄E₂ ચોરસ સમતલીય.

એકાકી જોડ આણ્વિક બંધ-ખૂણા કેમ સંકોચે છે

એકાકી જોડ માત્ર એક ન્યુક્લિયસથી જકડાયેલી હોય છે, તેથી કેન્દ્રીય પરમાણુ પાસે તેની ઇલેક્ટ્રૉન ઘનતા બંધક જોડ કરતાં વધુ પહોળી ફેલાય છે. તેથી અપાકર્ષણો એકાકી જોડ–એકાકી જોડ > એકાકી જોડ–બંધક જોડ > બંધક જોડ–બંધક જોડ ક્રમને અનુસરે છે, અને દરેક ઉમેરાયેલી એકાકી જોડ બાકીના બંધોને એકબીજાની વધુ નજીક દબાવે છે.

ચતુષ્ફલકીય કુટુંબ વલણ બતાવે છે. એકાકી જોડ વિનાના મિથેન, CH₄, ના H–C–H ખૂણા 109.5° છે. એક એકાકી જોડવાળા એમોનિયા, NH₃, ના H–N–H ખૂણા થોડા નાના છે. બે એકાકી જોડવાળા પાણીનો H–O–H ખૂણો 104.5° છે, જે OpenStax Chemistry 2e માં આપેલું મૂલ્ય છે. બહુબંધોની સમાન, નાની અસર હોય છે, કારણ કે દ્વિબંધ એકલ બંધ કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રૉન ઘનતા ધરાવે છે.

VSEPR આ વિચલનોની દિશાની વિશ્વસનીય રીતે આગાહી કરે છે, પરંતુ તેમના ચોક્કસ કદની નહીં. જ્યારે પ્રશ્ન એકાકી જોડવાળા અણુમાં ખૂણો પૂછે, ત્યારે માપેલો ડેટા ન હોય તો આદર્શ મૂલ્ય કરતાં "થોડો ઓછો" એવો જવાબ આપો.

ઉકેલેલાં ઉદાહરણો: ક્લોરિન ટ્રાઇફ્લોરાઇડ અને ઝેનૉન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ

ક્લોરિન ટ્રાઇફ્લોરાઇડ, ClF₃. સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉન: 7 + 3(7) = 28. ત્રણ Cl–F એકલ બંધો 6 ઇલેક્ટ્રૉન વાપરે છે, અને ત્રણ ફ્લોરિન અષ્ટક પૂરા કરવામાં 3 × 6 = 18 વપરાય છે, કુલ 24. બાકીના 4 ઇલેક્ટ્રૉન ક્લોરિન પર બે એકાકી જોડ તરીકે જાય છે. ક્લોરિન પાસે ત્રણ બંધો અને બે એકાકી જોડ છે, તેથી તે AX₃E₂ છે, સ્ટેરિક સંખ્યા 5 અને ત્રિકોણીય દ્વિપિરામિડીય ઇલેક્ટ્રૉન-ક્ષેત્ર ભૂમિતિ સાથે.

બંને એકાકી જોડ વિષુવવૃત્તીય સ્થાનો લે છે. આથી એક ફ્લોરિન વિષુવવૃત્તીય સમતલમાં અને બે અક્ષીય સ્થાનોમાં રહે છે, તેથી પરમાણુઓ T આકાર બનાવે છે. એકાકી જોડ અક્ષીય ફ્લોરિનને વિષુવવૃત્તીય ફ્લોરિન તરફ ધકેલે છે, તેથી F–Cl–F ખૂણા 90° કરતાં થોડા ઓછા છે. T આકારમાં ત્રણ Cl–F બંધ દ્વિધ્રુવો રદ થતા નથી, તેથી ClF₃ ધ્રુવીય છે.

ઝેનૉન ટેટ્રાફ્લોરાઇડ, XeF₄. સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉન: 8 + 4(7) = 36. ચાર Xe–F બંધો 8 ઇલેક્ટ્રૉન વાપરે છે અને ફ્લોરિનની એકાકી જોડ 4 × 6 = 24 વાપરે છે, કુલ 32. બાકીના 4 ઇલેક્ટ્રૉન ઝેનૉન પર બે એકાકી જોડ છે. ચાર બંધો અને બે એકાકી જોડ સાથે, ઝેનૉન AX₄E₂ છે, સ્ટેરિક સંખ્યા 6, અષ્ટફલકીય ઇલેક્ટ્રૉન-ક્ષેત્ર ભૂમિતિ.

અષ્ટફલકમાં દરેક સ્થાન સમતુલ્ય છે, તેથી પહેલી એકાકી જોડ ગમે ત્યાં જઈ શકે; બીજી તેની સીધી સામે, 180° દૂર, જાય છે, જેથી એકાકી જોડ–એકાકી જોડ અપાકર્ષણ ઓછું થાય. ચાર ફ્લોરિન પછી તેમના પડોશીઓથી 90° પર એક સમતલમાં રહે છે: ચોરસ સમતલીય. દરેક Xe–F બંધ ધ્રુવીય છે, પરંતુ સામસામેના બંધો બરાબર વિરુદ્ધ દિશામાં હોય છે, તેથી દ્વિધ્રુવો રદ થાય છે અને XeF₄ અધ્રુવીય છે.

આણ્વિક ધ્રુવીયતા શોધવા બંધ દ્વિધ્રુવો ઉમેરવા

જુદી વિદ્યુતઋણતાવાળા પરમાણુઓ વચ્ચેનો બંધ ધ્રુવીય હોય છે, જેમાં વધુ વિદ્યુતઋણી પરમાણુ પર આંશિક ઋણ વીજભાર (δ−) હોય છે. દરેક બંધ દ્વિધ્રુવનું કદ અને દિશા હોય છે, તેથી તે સદિશ તરીકે વર્તે છે. આણ્વિક દ્વિધ્રુવ ચાકમાત્રા બધા બંધ દ્વિધ્રુવોનો સદિશ સરવાળો છે, જે સામાન્ય રીતે ડિબાય (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m) માં નોંધાય છે.

જ્યારે સરખા બંધો કેન્દ્રીય પરમાણુની આસપાસ સંમિત રીતે ગોઠવાયેલા હોય ત્યારે બંધ દ્વિધ્રુવો રદ થાય છે. જ્યારે બધા X પરમાણુઓ સરખા હોય ત્યારે AX₂ રેખીય, AX₃ ત્રિકોણીય સમતલીય, AX₄ ચતુષ્ફલકીય, AX₅ ત્રિકોણીય દ્વિપિરામિડીય અને AX₆ અષ્ટફલકીય અણુઓ માટે આમ થાય છે, અને AX₄E₂ ચોરસ સમતલીય તથા AX₂E₃ રેખીય આકારો માટે પણ, જ્યાં એકાકી જોડ સંમિત રીતે ગોઠવાય છે અને દરેક બંધ સરખા બંધની બરાબર સામે હોય છે. આકાર અને અવેજીઓના અન્ય સંયોજનો સામાન્ય રીતે ચોખ્ખો દ્વિધ્રુવ છોડે છે.

ઉકેલેલી સરખામણી: સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ અને સલ્ફર ટ્રાયોક્સાઇડ. SO₂ માં 6 + 2(6) = 18 સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉન છે; તેની લુઇસ રચના સલ્ફર પર બે બંધક ક્ષેત્રો અને એક એકાકી જોડ (AX₂E) મૂકે છે, તેથી અણુ વળેલો છે. બે S–O દ્વિધ્રુવો અંશતઃ એ જ દિશામાં છે, તેમનો સરવાળો શૂન્ય નથી, અને SO₂ ધ્રુવીય છે. SO₃ માં 6 + 3(6) = 24 સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉન અને સલ્ફર પર એકાકી જોડ વિના ત્રણ બંધક ક્ષેત્રો (AX₃) છે, તેથી તે ત્રિકોણીય સમતલીય છે. 120° અંતરે ત્રણ સરખા દ્વિધ્રુવોનો સરવાળો શૂન્ય થાય છે, અને SO₃ અધ્રુવીય છે ભલે તેનો દરેક બંધ ધ્રુવીય હોય.

આકાર અને ધ્રુવીયતાની સામાન્ય ભૂલો

મોટા ભાગની ભૂલો લુઇસ રચના છોડી દેવાથી, અથવા પાના પરની સપાટ આકૃતિને વાસ્તવિક આકાર હોય તેમ વાંચવાથી આવે છે. એક ઝડપી નિયમિત રીત તેમને પકડે છે: લુઇસ રચના દોરો, કેન્દ્રીય પરમાણુ પરના ક્ષેત્રો ગણો, ઇલેક્ટ્રૉન-ક્ષેત્ર ભૂમિતિને નામ આપો, આણ્વિક આકારને નામ આપવા એકાકી જોડ દૂર કરો, પછી બંધ દ્વિધ્રુવોને ત્રણ પરિમાણમાં ઉમેરો.

ભૌતિક મૉડેલ અથવા કાળજીપૂર્વક દોરેલી ફાચર-અને-રેખા આકૃતિ છેલ્લા પગલામાં મદદ કરે છે. જો તમે અણુને એવી રીતે ફેરવી શકો કે એક બંધ દ્વિધ્રુવનો વિરુદ્ધ દિશામાં ઇશારો કરતો કોઈ સાથી ન હોય, તો અણુ ધ્રુવીય છે. જો દરેક બંધ સામેની બાજુના સરખા બંધ સાથે, અથવા 120° પર ત્રણ બંધો જેવા સંમિત સમૂહ સાથે, મેળ ખાય, તો તે અધ્રુવીય છે.

• જ્યારે પ્રશ્ન આણ્વિક આકાર પૂછે ત્યારે ઇલેક્ટ્રૉન-ક્ષેત્ર ભૂમિતિનું નામ આપવું. પાણીના ક્ષેત્રો ચતુષ્ફલકીય છે; તેનો આકાર વળેલો છે.
• કેન્દ્રીય પરમાણુ પરની એકાકી જોડ ભૂલી જવી, જે ભૂલથી NH₃ ને ત્રિકોણીય સમતલીય અણુ બનાવી દે છે.
• દ્વિબંધ કે ત્રિબંધને બે કે ત્રણ ક્ષેત્રો ગણવા.
• બંધો ધ્રુવીય હોવાથી અણુ ધ્રુવીય છે એવો નિષ્કર્ષ કાઢવો, દ્વિધ્રુવો રદ થાય છે કે નહીં તે ચકાસ્યા વિના.
• સપાટ આકૃતિ પરથી સંમિતિ નક્કી કરવી. CH₂Cl₂ કાગળ પર સંમિત દેખાય છે પરંતુ બે જુદા પ્રકારના બંધો સાથે ચતુષ્ફલકીય છે, તેથી તે ધ્રુવીય છે.
• ત્રિકોણીય દ્વિપિરામિડના અક્ષીય સ્થાનોમાં એકાકી જોડ મૂકવી, જે SF₄, ClF₃ અને XeF₂ માટે ખોટો આકાર આપે છે.