பாடங்கள் · அலகு 2 · அணு ஓபிற்றல்களின் கலப்பாக்கம்

அணு ஓபிற்றல்களின் கலப்பாக்கம்

முழுமையான பார்வை — கலப்பாக்கம் (Hybridisation) ஏன் முக்கியம்?

வலுவளவு ஓட்டு இலத்திரன் சோடித் தள்ளுகைக் கொள்கை ஒரு மூலக்கூறின் வடிவத்தைக் கணித்துக் கூறுகின்றது; ஆனால் அவ்வடிவம் ஏன் உருவாகின்றது என்பதையும், அம்மூலக்கூறிலுள்ள பிணைப்புகள் ஏன் ஒத்தவையாக இருக்கின்றன என்பதையும் அக்கொள்கை விளக்குவதில்லை. இக்குறையை நிவர்த்தி செய்வதே அணு ஓபிற்றல்களின் கலப்பாக்கம் (hybridisation) எனப்படும் எண்ணக்கருவாகும். காபன் (C) அணுவின் தரைநிலை இலத்திரன் அமைப்பை மட்டும் கருதினால், அதற்கு இரண்டே சோடியாக்கப்படாத இலத்திரன்களே உள்ளன; எனினும் CH₄ மூலக்கூறில் காபன் நான்கு பங்கீட்டுப் பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றது, மேலும் அந்நான்கு C–H பிணைப்புகளும் எல்லா வகையிலும் ஒத்தவை. கலப்பாக்கம் என்ற எண்ணக்கரு இன்றி இந்த ஒத்த நான்கு பிணைப்புகளுக்கு ஏற்புடைய கட்டமைப்பைக் கொடுப்பது சாத்தியமன்று. எனவே மூலக்கூறு வடிவத்திற்கும் அணு ஓபிற்றல்களுக்கும் இடையிலான பாலமாகக் கலப்பாக்கம் அமைகின்றது. பகுதி I பல்தேர்வு வினாக்களில் ஓர் அணுவின் கலப்பாக்க வகையை அடையாளம் காணும் வினா தவறாமல் இடம்பெறுகின்றது.

கலப்பாக்கம் ஏன் தேவைப்படுகின்றது?

காபன் அணுவின் வலுவளவு ஓட்டில் தரைநிலையில் ஒரு சோடி இலத்திரன்களும் சோடியாக்கப்படாத இரு இலத்திரன்களும் காணப்படுகின்றன (2s² 2p²). ஆனால் நான்கு பங்கீட்டுப் பிணைப்புகளை உருவாக்குவதற்குச் சோடியாக்கப்படாத இலத்திரன்களைக் கொண்ட நான்கு ஓபிற்றல்கள் அவசியம். எனவே 2s ஓபிற்றலில் உள்ள ஓர் இலத்திரன் சக்தியை உறிஞ்சி வெற்று 2p ஓபிற்றலுக்கு இடமாற்றம் அடைகின்றது. இவ்வாறு அருட்டப்பட்ட நிலையில் காபன் அணு நான்கு சோடியாக்கப்படாத இலத்திரன்களைப் பெறுகின்றது.

எனினும் இந்நான்கு இலத்திரன்களும் இரண்டு வேறுபட்ட சக்தி மட்டங்களில், இரண்டு வேறுபட்ட வடிவங்களையுடைய ஓபிற்றல்களில் (கோள வடிவ s ஓபிற்றல், டம்பெல் வடிவ p ஓபிற்றல்) காணப்படுகின்றன. இவற்றை அப்படியே பயன்படுத்தினால் CH₄ இல் வேறுபட்ட வகையான பிணைப்புகள் உருவாகும் என எதிர்பார்க்க வேண்டும். ஆனால் சோதனை முடிவுகள் நான்கு C–H பிணைப்புகளும் ஒத்தவை என்பதைக் காட்டுகின்றன. எனவே பிணைப்பு உருவாவதற்கு முன்னர் 2s மற்றும் 2p ஓபிற்றல்கள் கலப்படைந்து, சமசக்தியும் ஒரே வடிவமும் ஒரே பருமனும் உள்ள நான்கு புதிய அணு ஓபிற்றல்களை உருவாக்குகின்றன என்ற எடுகோளே ஏற்றுக்கொள்ளப்படுகின்றது. இவ்வாறு ஓபிற்றல்கள் கலப்படையும் கருதுகோள் செயன்முறையே கலப்பாக்கம் எனப்படும்.

காபன் அணு ஒன்றின் சக்தி மட்ட வரிப்படம் (தரைநிலையும் அருட்டப்பட்ட நிலையும்)

கலப்பாக்கம் தொடர்பான சில அடிப்படை விதிகளை இங்கு நினைவில் கொள்ளல் வேண்டும்.

கலப்பாக்கம் என்ற எண்ணக்கரு ஒரு தனி அணுவிற்குப் பயன்படுத்தப்படாது; ஒரு மூலக்கூறில் குறித்த ஓர் அணுவினால் உருவாக்கப்படும் பிணைப்புகளை விளக்குவதற்கே பயன்படுத்தப்படுகின்றது.
கலப்பில் ஈடுபடும் அணு ஓபிற்றல்களின் எண்ணிக்கைக்குச் சமமான எண்ணிக்கையிலான கலப்பு ஓபிற்றல்கள் உருவாகின்றன.
உருவாகும் கலப்பு ஓபிற்றல்கள் அனைத்தும் சமசக்தி கொண்டவை; அவை முப்பரிமாண வெளியில் தமது திசைகோளில் மட்டுமே வேறுபடுகின்றன.
கலப்பாக்கம் ஓர் உண்மையான பௌதிக செயன்முறை அன்று; மூலக்கூறு வடிவத்தை விளக்குவதற்காகத் தரப்பட்ட ஒரு கருதுகோள் ஆகும்.

sp³ கலப்பாக்கம்

மீத்தேன் நானமுகி அமைப்பு (sp³)
*Methane tetrahedral geometry (sp³)*
Wikipedia → · CC

ஓர் s ஓபிற்றலும் மூன்று p ஓபிற்றல்களும் கலப்படைந்து சமசக்தி கொண்ட நான்கு sp³ கலப்பு ஓபிற்றல்களை உருவாக்கும்போது அது sp³ கலப்பாக்கம் எனப்படும். இந்நான்கு கலப்பு ஓபிற்றல்களும் ஒரு நானமுகியின் உச்சிகளை நோக்கி அமைகின்றன; அவற்றுக்கிடையிலான கோணம் 109.5° ஆகும். CH₄ மூலக்கூறில் காபன் அணு sp³ கலப்பாக்கம் அடைந்திருப்பதனால் அதன் வடிவம் நானமுகியாக அமைகின்றது.

sp² கலப்பாக்கம்

ஓர் s ஓபிற்றலும் இரு p ஓபிற்றல்களும் கலப்படைந்து மூன்று sp² கலப்பு ஓபிற்றல்களை உருவாக்கும்போது அது sp² கலப்பாக்கம் எனப்படும். இம்மூன்று கலப்பு ஓபிற்றல்களின் அச்சுகளும் ஒரே தளத்தில் அமைகின்றன; அவற்றுக்கிடையிலான கோணம் 120° ஆகும். கலப்பில் ஈடுபடாத ஒரு p ஓபிற்றல் இக்கலப்பு ஓபிற்றல்களின் தளத்திற்குச் செங்குத்தாக அமைகின்றது. BF₃ மூலக்கூறிலும் எத்தீன் (C₂H₄) இல் உள்ள ஒவ்வொரு காபன் அணுவிலும் sp² கலப்பாக்கம் காணப்படுகின்றது; எனவே இவற்றின் வடிவம் தள முக்கோணமாகும்.

sp கலப்பாக்கம்

ஓர் s ஓபிற்றலும் ஒரு p ஓபிற்றலும் கலப்படைந்து இரு sp கலப்பு ஓபிற்றல்களை உருவாக்கும்போது அது sp கலப்பாக்கம் எனப்படும். இவ்விரு கலப்பு ஓபிற்றல்களுக்கிடையிலான கோணம் 180° ஆதலின் அவற்றின் அச்சுகள் ஒரே நேர்கோட்டில் அமைகின்றன. கலப்பில் ஈடுபடாத இரு p ஓபிற்றல்கள் ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தாக அமைகின்றன. BeCl₂ மூலக்கூறில் பெரிலியம் அணு sp கலப்பாக்கம் அடைந்திருப்பதனால் அதன் வடிவம் நேர்கோட்டாக அமைகின்றது.

s, p ஓபிற்றல்களின் கலப்புப் பிறப்பாக்கம்

வடிவத்திற்கும் கலப்பாக்கத்திற்கும் இடையிலான தொடர்பு

ஒரு கலப்பு ஓபிற்றலின் இயல்பு கலப்பில் ஈடுபட்ட s மற்றும் p ஓபிற்றல்களின் சதவீத பங்கைப் பொறுத்தே அமைகின்றது. கீழ்வரும் அட்டவணை மூன்று கலப்பாக்க வகைகளையும் அவற்றுக்குரிய கேத்திர கணித ஒழுங்கையும் ஒப்பிட்டுக் காட்டுகின்றது.

கலப்பாக்கம்	கலப்படையும் ஓபிற்றல்கள்	கலப்பு ஓபிற்றல்கள்	கேத்திர கணித ஒழுங்கு	கோணம்	உதாரணம்
sp	s + p (1)	2	நேர்கோட்டு	180°	BeCl₂
sp²	s + p (2)	3	தள முக்கோணம்	120°	BF₃, C₂H₄
sp³	s + p (3)	4	நானமுகி	109.5°	CH₄

இவ்வட்டவணையில் இருந்து ஒரு முக்கியமான முடிவை எடுக்கலாம். ஒரு மைய அணுவைச் சூழ உள்ள தள்ளுகை அலகுகளின் எண்ணிக்கையை அறிந்தால், அதன் கலப்பாக்க வகையையும் வடிவத்தையும் நேரடியாகக் கூறிவிடலாம். தள்ளுகை அலகுகள் இரண்டு எனின் sp; மூன்று எனின் sp²; நான்கு எனின் sp³.

sp, sp², sp³ கலப்பு ஓபிற்றல்களின் திசைகோள் ஒப்பீடு — நேர்கோட்டு 180°, தள முக்கோணம் 120°, நானமுகி 109.5°

σ பிணைப்பும் π பிணைப்பும்

எத்தைன் மும்மைப் பிணைப்பு (sp)
*Acetylene triple bond (sp)*
Wikipedia → · CC

இரு ஓபிற்றல்கள் மேற்பொருந்தும் விதத்தைப் பொறுத்து இரண்டு வகையான பிணைப்புகள் உருவாகின்றன. இரு ஓபிற்றல்களும் அவற்றை இணைக்கும் அச்சின் வழியே நேர்கோட்டில் மேற்பொருந்தும்போது σ பிணைப்பு உருவாகின்றது. கலப்பு ஓபிற்றல்களுக்கிடையிலான மேற்பொருந்துகை எப்போதும் இவ்வாறு நேர்கோட்டில் அமைவதனால் அது σ பிணைப்பையே தருகின்றது.

ஆனால் இரு p ஓபிற்றல்களின் அச்சுகள் ஒன்றுக்கொன்று சமாந்தரமாக அமைந்து, அவை பக்கவாட்டாக மேற்பொருந்தும்போது π பிணைப்பு உருவாகின்றது. p ஓபிற்றல்களின் அச்சுகள் சமாந்தரமாக இல்லாதபோது பக்கவாட்டு மேற்பொருந்துகைக்கான சாத்தியம் குறைவாக இருக்கின்றது; எனவே π பிணைப்பு உருவாதலுக்கு அச்சுச் சமாந்தரம் இன்றியமையாதது.

σ பிணைப்பும் π பிணைப்பும்

ஒற்றை, இரட்டை, மும்மைப் பிணைப்புகள்

எத்தீன் இரட்டைப் பிணைப்பு (sp²)
*Ethylene double bond (sp²)*
Wikipedia → · CC

இரு அணுக்களுக்கிடையிலான பிணைப்பின் வகையை σ மற்றும் π பிணைப்புகளின் எண்ணிக்கையைக் கொண்டு வரையறுக்கலாம்.

ஒற்றைப் பிணைப்பு ஒரே ஒரு σ பிணைப்பால் ஆனது.
இரட்டைப் பிணைப்பு ஒரு σ பிணைப்பாலும் ஒரு π பிணைப்பாலும் ஆனது.
மும்மைப் பிணைப்பு ஒரு σ பிணைப்பாலும் இரு π பிணைப்புகளாலும் ஆனது.

எத்தீன் (C₂H₄) இல் இரு காபன் அணுக்களுக்கிடையிலான இரட்டைப் பிணைப்பை இதற்கு உதாரணமாகக் கொள்ளலாம். ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் sp² கலப்பாக்கம் அடைந்திருப்பதனால், கலப்பு ஓபிற்றல்களுக்கிடையிலான நேர்கோட்டு மேற்பொருந்துகையால் ஒரு σ பிணைப்பு உருவாகின்றது; கலப்பில் ஈடுபடாத p ஓபிற்றல்களின் பக்கவாட்டு மேற்பொருந்துகையால் ஒரு π பிணைப்பு உருவாகின்றது.

எத்தைன் என அறியப்படும் C₂H₂ இல் இரு காபன் அணுக்களுக்கிடையில் மும்மைப் பிணைப்பு காணப்படுகின்றது. இங்கு ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் sp கலப்பாக்கம் அடைந்திருக்கின்றது. ஒரு σ பிணைப்பும் இரு π பிணைப்புகளும் இரு காபன் அணுக்களுக்கிடையில் உருவாகின்றன. இம்மும்மைப் பிணைப்பில் உள்ள இரு π பிணைப்புகளின் இலத்திரன் முகில்களின் கற்பனை அச்சுகள் ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தாக அமைகின்றன.

ஒற்றை, இரட்டை, மும்மைப் பிணைப்புகளில் σ மற்றும் π பிணைப்புகளின் எண்ணிக்கை

ஒரு பன்மைப் பிணைப்பில் எப்போதும் ஒரே ஒரு σ பிணைப்பே இருக்கும்; எஞ்சியவை அனைத்தும் π பிணைப்புகளே. எனவே மொத்தப் பிணைப்புகளின் எண்ணிக்கையில் இருந்து ஒன்றைக் கழித்தால் π பிணைப்புகளின் எண்ணிக்கை கிடைக்கும்.

தேர்வாளர் பார்வை

தேர்வில் கலப்பாக்க வகையை அடையாளம் காணும் வினா பொதுவாக இடம்பெறுகின்றது. மைய அணுவைச் சூழ உள்ள தள்ளுகை அலகுகளை எண்ணி, இரண்டு எனின் sp, மூன்று எனின் sp², நான்கு எனின் sp³ என நேரடியாகத் தீர்மானிக்கலாம்; ஒவ்வொரு பன்மைப் பிணைப்பும் ஒரே தள்ளுகை அலகாகவே கணக்கிடப்படும் என்பதை மறக்கலாகாது. இரண்டாவது பொதுவான தவறு, π பிணைப்பின் எண்ணிக்கையைத் தவறாகக் கணித்தலாகும்; ஒற்றைப் பிணைப்பு 1σ, இரட்டைப் பிணைப்பு 1σ + 1π, மும்மைப் பிணைப்பு 1σ + 2π என்ற அமைப்பை உறுதியாக நினைவில் கொள்ள வேண்டும். பகுதி II கட்டுரை வினாவில் கலப்பாக்க வகையைக் கூறுவதோடு நிற்காமல், கலப்பாக்கம் ஏன் தேவைப்படுகின்றது என்பதையும் — அதாவது சோதனையில் காணப்படும் ஒத்த பிணைப்புகளையும் வடிவத்தையும் விளக்குவதற்கே என்பதையும் — தெளிவாக எழுத வேண்டும்.

கலப்பினமாதல்
*Orbital hybridisation*
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

sp³ கலப்பாக்கத்தின் வடிவம்:
1. நேர்கோடு
2. தள முக்கோணம்
3. நானமுகி
4. எண்முகி
5. கோணம்
விடை
(3) — sp³ → நானமுகி, 109.5° (எ-கா CH₄).
எத்திலீன் (C₂H₄) இல் காபனின் கலப்பாக்கம்:
1. sp
2. sp²
3. sp³
4. sp³d
5. dsp²
விடை
(2) — ஒரு இரட்டைப் பிணைப்பு → sp² (தள முக்கோணம்).
sp கலப்பாக்கத்தின் பிணைப்புக்கோணம்:
1. 109.5°
2. 120°
3. 180°
4. 90°
5. 104.5°
விடை
(3) — sp → நேர்கோடு, 180° (எ-கா C₂H₂).
கலப்பாக்கத்தைக் கண்டறிய எண்ணிக்கையிடுவது:
1. π பிணைப்புகள்
2. σ பிணைப்பு + தனிச்சோடி
3. இரட்டைப் பிணைப்பு
4. எலக்ட்ரான்
5. நியூட்ரான்
விடை
(2) — σ பிணைப்புகள் + தனிச்சோடிகளின் கூட்டுத்தொகை.
NH₃ இல் N இன் கலப்பாக்கம்:
1. sp
2. sp²
3. sp³
4. sp³d
5. dsp³
விடை
(3) — 3 பிணைப்பு + 1 தனிச்சோடி = 4 → sp³.
sp² கலப்பாக்கத்தில் கலக்கப்படும் ஓபிற்றல்கள்:
1. 1s + 1p
2. 1s + 2p
3. 1s + 3p
4. 2s + 2p
5. 1s + 1d
விடை
(2) — ஒரு s + இரு p ஓபிற்றல் → 3 sp² ஓபிற்றல்.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• sp, sp², sp³ கலப்பாக்கங்களை வடிவம், கோணம், எடுத்துக்காட்டுடன் அட்டவணைப்படுத்துக.

மாதிரி விடை

sp: நேர்கோடு 180° (BeCl₂, C₂H₂); sp²: தள முக்கோணம் 120° (BF₃, C₂H₄); sp³: நானமுகி 109.5° (CH₄).

• ஒரு மூலக்கூற்றின் கலப்பாக்கத்தை எவ்வாறு கண்டறிவாய்? C₂H₂-க்குக் காட்டுக.

மாதிரி விடை

ஒவ்வொரு C-இல் σ பிணைப்பு + தனிச்சோடி எண்ணுக. C₂H₂ இல் ஒவ்வொரு C: 2σ + 0 LP = 2 → sp.

கட்டுரை வினா

• கலப்பாக்கம் — கருத்து, sp/sp²/sp³ வகைகள், வடிவம்-கோணம், σ/π பிணைப்புத் தொடர்பை விளக்குக.

விடை வரைவு

வரைவு: அணு ஓபிற்றல்கள் கலந்து சமஆற்றல் கலப்பு ஓபிற்றல்; sp/sp²/sp³ → நேர்கோடு/தள முக்கோணம்/நானமுகி; σ பிணைப்பு கலப்பு ஓபிற்றலால், π கலவாத p-ஓபிற்றலால்.

← அலகு 2