VSEPR ज्यामिति और आणविक ध्रुवणता

केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन डोमेन गिनना

VSEPR एक सही लुईस संरचना से शुरू होता है। केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन डोमेन गिनें: हर एकाकी युग्म एक डोमेन है, और किसी अन्य परमाणु से हर आबंध एक डोमेन है, चाहे वह एकल, द्वि या त्रि हो। कुल को अक्सर त्रिविम संख्या कहा जाता है। द्वि आबंध एक बार गिना जाता है क्योंकि उसके इलेक्ट्रॉन दो परमाणुओं के बीच अंतरिक्ष के उसी क्षेत्र में रहते हैं।

त्रिविम संख्या इलेक्ट्रॉन-डोमेन ज्यामिति तय करती है, वह व्यवस्था जो डोमेनों को सबसे दूर रखती है। दो डोमेन रैखिक (180°) हैं, तीन त्रिकोणीय समतलीय (120°), चार चतुष्फलकीय (109.5°), पाँच त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय (90° और 120°), और छह अष्टफलकीय (90°) हैं।

एक छोटा लेबल गिनती का हिसाब रखता है। AXₘEₙ संकेतन में A केंद्रीय परमाणु है, m आबंधित परमाणुओं X की संख्या है, और n केंद्रीय परमाणु पर एकाकी युग्मों E की संख्या है। जल AX₂E₂ है: दो आबंधित परमाणु और दो एकाकी युग्म, त्रिविम संख्या 4।

इलेक्ट्रॉन-डोमेन ज्यामिति बनाम आणविक आकृति

एकाकी युग्म जगह घेते हैं, पर वे परमाणु नहीं हैं, इसलिए आणविक आकृति के नाम में वे अदृश्य रहते हैं। आणविक ज्यामिति केवल यह बताती है कि परमाणु कहाँ स्थित हैं। जब केंद्रीय परमाणु पर कोई एकाकी युग्म नहीं होता, तो दोनों ज्यामितियाँ समान होती हैं; जब एकाकी युग्म होते हैं, तो वे भिन्न होती हैं।

त्रिकोणीय द्विपिरामिड में स्थितियाँ समतुल्य नहीं होतीं: तीन विषुवतीय स्थितियाँ एक-दूसरे से 120° पर होती हैं और दो अक्षीय स्थितियाँ विषुवत से 90° पर। एकाकी युग्म पहले विषुवतीय स्थितियों में जाते हैं, क्योंकि विषुवतीय स्थान के 90° पर केवल दो पड़ोसी होते हैं जबकि अक्षीय स्थान के तीन।

• त्रिविम संख्या 3: AX₃ त्रिकोणीय समतलीय; AX₂E कोणीय (बेंट), कोण 120° से कम।
• त्रिविम संख्या 4: AX₄ चतुष्फलकीय; AX₃E त्रिकोणीय पिरामिडीय; AX₂E₂ कोणीय (बेंट), कोण 109.5° से कम।
• त्रिविम संख्या 5: AX₅ त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय; AX₄E सीसॉ; AX₃E₂ T-आकार; AX₂E₃ रैखिक।
• त्रिविम संख्या 6: AX₆ अष्टफलकीय; AX₅E वर्ग पिरामिडीय; AX₄E₂ वर्ग समतलीय।

एकाकी युग्म आबंध कोणों को क्यों दबाते हैं

एकाकी युग्म को केवल एक नाभिक थामे रखता है, इसलिए उसका इलेक्ट्रॉन घनत्व केंद्रीय परमाणु के पास आबंधी युग्म की तुलना में अधिक फैलता है। इसलिए प्रतिकर्षण का क्रम है एकाकी युग्म–एकाकी युग्म > एकाकी युग्म–आबंधी युग्म > आबंधी युग्म–आबंधी युग्म, और हर जुड़ा एकाकी युग्म बाकी आबंधों को और पास भींच देता है।

चतुष्फलकीय परिवार यह प्रवृत्ति दिखाता है। मेथेन, CH₄, में कोई एकाकी युग्म नहीं है और H–C–H कोण 109.5° हैं। अमोनिया, NH₃, में एक एकाकी युग्म है और H–N–H कोण कुछ छोटे हैं। जल में दो एकाकी युग्म हैं और H–O–H कोण 104.5° है, जो OpenStax Chemistry 2e में दिया गया मान है। बहु आबंधों का भी ऐसा ही, पर छोटा प्रभाव होता है, क्योंकि द्वि आबंध एकल आबंध से अधिक इलेक्ट्रॉन घनत्व रखता है।

VSEPR इन विचलनों की दिशा का भरोसेमंद पूर्वानुमान लगाता है, पर उनके सटीक आकार का नहीं। जब कोई प्रश्न एकाकी युग्मों वाले अणु में कोण पूछे, तो मापे गए आँकड़े न होने पर उत्तर दें कि वह आदर्श मान से "थोड़ा कम" है।

हल किए गए उदाहरण: क्लोरीन ट्राइफ़्लुओराइड और ज़ीनॉन टेट्राफ़्लुओराइड

क्लोरीन ट्राइफ़्लुओराइड, ClF₃। संयोजकता इलेक्ट्रॉन: 7 + 3(7) = 28। तीन Cl–F एकल आबंध 6 इलेक्ट्रॉन लेते हैं, और तीन फ़्लुओरीन अष्टक पूरे करने में 3 × 6 = 18 लगते हैं, कुल 24। शेष 4 इलेक्ट्रॉन क्लोरीन पर दो एकाकी युग्मों के रूप में जाते हैं। क्लोरीन के तीन आबंध और दो एकाकी युग्म हैं, इसलिए यह AX₃E₂ है, जिसकी त्रिविम संख्या 5 और इलेक्ट्रॉन-डोमेन ज्यामिति त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय है।

दोनों एकाकी युग्म विषुवतीय स्थितियाँ लेते हैं। इससे एक फ़्लुओरीन विषुवतीय तल में और दो अक्षीय स्थितियों में बचते हैं, इसलिए परमाणु T-आकार बनाते हैं। एकाकी युग्म अक्षीय फ़्लुओरीनों को विषुवतीय फ़्लुओरीन की ओर धकेलते हैं, इसलिए F–Cl–F कोण 90° से थोड़े कम होते हैं। T-आकार में तीन Cl–F आबंध द्विध्रुव निरस्त नहीं होते, इसलिए ClF₃ ध्रुवीय है।

ज़ीनॉन टेट्राफ़्लुओराइड, XeF₄। संयोजकता इलेक्ट्रॉन: 8 + 4(7) = 36। चार Xe–F आबंध 8 इलेक्ट्रॉन लेते हैं और फ़्लुओरीन के एकाकी युग्म 4 × 6 = 24, कुल 32। शेष 4 इलेक्ट्रॉन ज़ीनॉन पर दो एकाकी युग्म हैं। चार आबंधों और दो एकाकी युग्मों के साथ ज़ीनॉन AX₄E₂ है, त्रिविम संख्या 6, अष्टफलकीय इलेक्ट्रॉन-डोमेन ज्यामिति।

अष्टफलक में हर स्थिति समतुल्य होती है, इसलिए पहला एकाकी युग्म कहीं भी जा सकता है; दूसरा एकाकी युग्म–एकाकी युग्म प्रतिकर्षण को न्यूनतम करने के लिए ठीक उसके सामने, 180° दूर, जाता है। चारों फ़्लुओरीन तब एक ही तल में अपने पड़ोसियों से 90° पर होते हैं: वर्ग समतलीय। हर Xe–F आबंध ध्रुवीय है, पर सामने वाले आबंध ठीक विपरीत दिशाओं में इंगित करते हैं, इसलिए द्विध्रुव निरस्त हो जाते हैं और XeF₄ अध्रुवीय है।

आणविक ध्रुवणता ज्ञात करने के लिए आबंध द्विध्रुवों को जोड़ना

भिन्न विद्युत-ऋणात्मकता वाले परमाणुओं के बीच का आबंध ध्रुवीय होता है, जिसमें अधिक विद्युत-ऋणात्मक परमाणु पर आंशिक ऋणात्मक आवेश (δ−) होता है। हर आबंध द्विध्रुव का एक परिमाण और एक दिशा होती है, इसलिए वह सदिश की तरह व्यवहार करता है। आणविक द्विध्रुव आघूर्ण सभी आबंध द्विध्रुवों का सदिश योग है, जिसे आमतौर पर डिबाई में बताया जाता है (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m)।

आबंध द्विध्रुव तब निरस्त होते हैं जब समान आबंध केंद्रीय परमाणु के चारों ओर सममित रूप से व्यवस्थित हों। ऐसा AX₂ रैखिक, AX₃ त्रिकोणीय समतलीय, AX₄ चतुष्फलकीय, AX₅ त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय और AX₆ अष्टफलकीय अणुओं में होता है जब सभी X परमाणु एक जैसे हों, और AX₄E₂ वर्ग समतलीय तथा AX₂E₃ रैखिक आकृतियों में भी, जहाँ एकाकी युग्म सममित रूप से व्यवस्थित होते हैं और हर आबंध ठीक सामने के समान आबंध की ओर इंगित करता है। आकृति और प्रतिस्थापियों के अन्य संयोजन सामान्यतः शुद्ध द्विध्रुव छोड़ते हैं।

हल की गई तुलना: सल्फ़र डाइऑक्साइड और सल्फ़र ट्राइऑक्साइड। SO₂ में 6 + 2(6) = 18 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं; उसकी लुईस संरचना सल्फ़र पर दो आबंधी डोमेन और एक एकाकी युग्म (AX₂E) रखती है, इसलिए अणु कोणीय है। दोनों S–O द्विध्रुव आंशिक रूप से एक ही दिशा में इंगित करते हैं, उनका योग शून्य नहीं है, और SO₂ ध्रुवीय है। SO₃ में 6 + 3(6) = 24 संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं और तीन आबंधी डोमेन हैं, सल्फ़र पर कोई एकाकी युग्म नहीं (AX₃), इसलिए वह त्रिकोणीय समतलीय है। 120° की दूरी पर तीन समान द्विध्रुवों का योग शून्य होता है, और SO₃ अध्रुवीय है, भले ही उसका हर आबंध ध्रुवीय हो।

आकृति और ध्रुवणता की आम गलतियाँ

अधिकतर त्रुटियाँ लुईस संरचना छोड़ देने से, या पन्ने पर बने सपाट चित्र को वास्तविक आकृति मान लेने से आती हैं। एक त्वरित दिनचर्या इन्हें पकड़ लेती है: लुईस संरचना बनाएँ, केंद्रीय परमाणु पर डोमेन गिनें, इलेक्ट्रॉन-डोमेन ज्यामिति का नाम बताएँ, एकाकी युग्म हटाकर आणविक आकृति का नाम बताएँ, फिर आबंध द्विध्रुवों को तीन आयामों में जोड़ें।

भौतिक मॉडल या सावधानी से बनाया गया वेज-और-डैश का रेखाचित्र अंतिम चरण में मदद करता है। यदि आप अणु को इस तरह घुमा सकें कि कोई आबंध द्विध्रुव विपरीत दिशा में इंगित करने वाले साथी के बिना रह जाए, तो अणु ध्रुवीय है। यदि हर आबंध की विपरीत ओर समान आबंध से, या 120° पर तीन आबंधों जैसे सममित समुच्चय से जोड़ी बनती है, तो वह अध्रुवीय है।

• जब प्रश्न आणविक आकृति पूछे तब इलेक्ट्रॉन-डोमेन ज्यामिति का नाम बताना। जल के डोमेन चतुष्फलकीय हैं; उसकी आकृति कोणीय है।
• केंद्रीय परमाणु पर एकाकी युग्मों को भूल जाना, जिससे NH₃ गलती से त्रिकोणीय समतलीय अणु बन जाता है।
• द्वि या त्रि आबंध को दो या तीन डोमेन गिनना।
• यह निष्कर्ष निकालना कि अणु ध्रुवीय है क्योंकि उसके आबंध ध्रुवीय हैं, यह जाँचे बिना कि द्विध्रुव निरस्त होते हैं या नहीं।
• सपाट चित्र से सममिति का अनुमान लगाना। CH₂Cl₂ कागज़ पर सममित दिखता है पर दो भिन्न प्रकार के आबंधों वाला चतुष्फलकीय है, इसलिए वह ध्रुवीय है।
• त्रिकोणीय द्विपिरामिड की अक्षीय स्थितियों में एकाकी युग्म रखना, जो SF₄, ClF₃ और XeF₂ की गलत आकृति देता है।