பாடங்கள் · அலகு 2 · VSEPR — மூலக்கூறு வடிவங்கள்

VSEPR — மூலக்கூறு வடிவங்கள்

முழுமையான பார்வை — மூலக்கூறு வடிவம் (Molecular Shape) ஏன் முக்கியம்?

ஒரு மூலக்கூறின் இரசாயன வாய்ப்பாட்டை மட்டும் அறிந்துகொண்டால் அதன் உண்மையான இயல்புகளைப் புரிந்துகொள்ள முடியாது; அம்மூலக்கூறு முப்பரிமாண வெளியில் எத்தகைய வடிவத்தைக் கொண்டுள்ளது என்பதுதான் அதன் முனைவுத் தன்மையையும், கொதிநிலையையும், தாக்கத்திறனையும் தீர்மானிக்கின்றது. இம்மூலக்கூறு வடிவத்தை எளிமையான ஒரு கருத்தியலின் அடிப்படையில் முன்கூட்டியே கணித்துக் கூறுவதற்கு உதவுவதே வலுவளவு ஓட்டு இலத்திரன் சோடித் தள்ளுகைக் கொள்கை (VSEPR theory) எனப்படும். இக்கொள்கையின் மையக் கருத்து மிகவும் தெளிவானது. ஒரு மூலக்கூறின் மைய அணுவைச் சூழ்ந்து காணப்படும் இலத்திரன் சோடிகள் அனைத்தும் எதிர் ஏற்றம் கொண்டவை ஆதலின் அவை ஒன்றையொன்று தள்ளுகின்றன; எனவே அத்தள்ளுகை அதிகுறைந்த அளவை அடையும் வண்ணம் அவை வெளியில் ஒழுங்கமைகின்றன. இவ்வொழுங்கமைப்பே மூலக்கூறின் வடிவத்தைத் தீர்மானிக்கின்றது. பகுதி I பல்தேர்வு வினாக்களில் ஒவ்வொரு வருடமும் மூலக்கூறு வடிவம் தொடர்பான வினா இடம்பெறுவதனால், இப்பகுதியை முழுமையாகப் புரிந்துகொள்வது தேர்வுக்கு இன்றியமையாதது.

கொள்கையின் அடிப்படை

VSEPR கொள்கை — நீர் மூலக்கூறு பிணைப்புக் கோணம்
*VSEPR theory — water bond angle*
Wikipedia → · CC

வலுவளவு ஓட்டு இலத்திரன் சோடித் தள்ளுகைக் கொள்கையை 1957ஆம் ஆண்டில் கில்லெஸ்பீ (Gillespie) மற்றும் நைஹோம் (Nyholm) ஆகியோர் முழுமையாக வடிவமைத்தனர். இக்கொள்கையின்படி, ஒரு மூலக்கூறின் அல்லது அயனின் மைய அணுவைச் சூழ உள்ள இலத்திரன் சோடிகள் ஒன்றிலிருந்து ஒன்று அதிகூடிய தூரத்தில் அமையும் வண்ணம் ஒழுங்காக்கப்படுகின்றன.

மைய அணுவைச் சூழ்ந்து பிரதானமாக இருவகையான இலத்திரன் சோடிகள் காணப்படுகின்றன. முதலாவது வகை இரு கருக்களுக்கிடையில் கவர்ச்சி விசையினால் பிணைக்கப்பட்டுள்ள பிணைப்பு இலத்திரன் சோடி (bond pair) ஆகும். இரண்டாவது வகை பிணைப்பில் ஈடுபடாது மைய அணுவின் மீது மட்டுமே நிலைபெற்றுள்ள தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் (lone pair) ஆகும். இவ்விரு வகைச் சோடிகளும் தள்ளுகை அலகுகளாகத் தொழிற்பட்டு ஒன்றிலிருந்து ஒன்று விலகிச் செல்கின்றன.

ஒரு முக்கியமான விதியை இங்கு நினைவில் கொள்ளல் வேண்டும். இரட்டைப் பிணைப்பு அல்லது மும்மைப் பிணைப்பு போன்ற பன்மைப் பிணைப்புகளில் உள்ள இலத்திரன் சோடிகள் அனைத்தும் ஒரே கருக்களுக்கிடையில் நிலைப்படுத்தப்பட்டிருப்பதனால், ஒவ்வொரு பன்மைப் பிணைப்பும் ஒரே ஒரு தள்ளுகை அலகாகவே கருதப்படுகின்றது.

பிணைப்பு இலத்திரன் சோடி, தனிச்சோடி இலத்திரன்களுக்கிடையிலான தள்ளுகையை ஒப்பிடுதல்

தள்ளுகையின் வரிசை

எல்லாத் தள்ளுகைகளும் ஒரே வலிமை கொண்டவை அல்ல. தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் ஒரு கருவின் செல்வாக்கின் கீழ் மட்டுமே இருப்பதனால், அவற்றின் இலத்திரன் முகில் ஒப்பீட்டளவில் பெரிய இடத்தை அடைக்கின்றது. ஆனால் பிணைப்பு இலத்திரன் சோடி இரு கருக்களுக்கிடையில் இறுக்கமாகப் பிணைக்கப்பட்டிருப்பதனால் அது குறுகிய இடத்தையே அடைக்கின்றது. இவ்வேறுபாட்டின் காரணமாகத் தள்ளுகை விசையின் வலிமை பின்வரும் வரிசையில் அமைகின்றது.

தனிச்சோடி – தனிச்சோடி தள்ளுகை > தனிச்சோடி – பிணைப்புச்சோடி தள்ளுகை > பிணைப்புச்சோடி – பிணைப்புச்சோடி தள்ளுகை

இவ்வரிசை ஏன் முக்கியமானது எனின், தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் அண்மையில் உள்ள பிணைப்பு இலத்திரன் சோடிகளை வலுவாகத் தள்ளுவதனால் பிணைப்புக் கோணங்கள் சற்றுச் சுருங்குகின்றன. இதன் விளைவாகவே ஒரே கேத்திர கணித ஒழுங்கைக் கொண்ட மூலக்கூறுகளும் வேறுபட்ட பிணைப்புக் கோணங்களையும் வடிவங்களையும் பெறுகின்றன.

இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணிதமும் மூலக்கூறு வடிவமும்

இரண்டு வேறுபட்ட எண்ணக்கருக்களை இங்கு தெளிவாக வேறுபடுத்திக் கொள்ளல் வேண்டும். மைய அணுவைச் சூழ உள்ள தள்ளுகை அலகுகள் அனைத்தும் — பிணைப்புச்சோடி, தனிச்சோடி என்ற வேறுபாடின்றி — வெளியில் பரம்பலடையும் விதம் இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கு (geometrical arrangement) எனப்படும். ஆனால் மூலக்கூறின் வடிவம் என்பது அணுக்களின் அமைவை மட்டுமே குறிக்கின்றது; தனிச்சோடி இலத்திரன்களைக் கணக்கில் எடுப்பதில்லை.

எனவே மைய அணுவில் தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் இல்லாதபோது இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கும் மூலக்கூறு வடிவமும் ஒன்றேயாகும். ஆனால் தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் இருக்கும்போது மூலக்கூறு வடிவம் கேத்திர கணித ஒழுங்கிலிருந்து வேறுபடுகின்றது. மூலக்கூறின் கேத்திர கணித ஒழுங்கைக் கூறும்போது பிணைப்புக் கோணத்தையும் இணைத்துக் கூறுதல் வேண்டும்.

ஐந்து அடிப்படை இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்குகள்

நானமுகி மூலக்கூறு கேத்திர கணிதம்
*Tetrahedral molecular geometry*
Wikipedia → · CC

மைய அணுவைச் சூழ உள்ள தள்ளுகை அலகுகளின் எண்ணிக்கைக்கு ஏற்ப ஐந்து அடிப்படை கேத்திர கணித ஒழுங்குகள் சாத்தியமாகின்றன. கீழ்வரும் அட்டவணை இவற்றைச் சுருக்கமாகத் தருகின்றது.

தள்ளுகை அலகுகள்	கேத்திர கணித ஒழுங்கு	பிணைப்புக் கோணம்
2	நேர்கோட்டு	180°
3	தள முக்கோணம்	120°
4	நானமுகி	109.5°
5	முக்கோண இருபக்க கூம்பகம்	120° மற்றும் 90°
6	எண்முகி	90°

ஐந்து இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்குகளின் முப்பரிமாண விளக்கப்படம் — நேர்கோட்டு, தள முக்கோணம், நானமுகி, முக்கோண இருபக்க கூம்பகம், எண்முகி

பணிக்கப்பட்ட உதாரணங்கள் — தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் இல்லாத மூலக்கூறுகள்

மைய அணுவில் தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் இல்லாதபோது மூலக்கூறு வடிவம் இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கையே நேரடியாகப் பின்பற்றுகின்றது.

BeCl₂ — பெரிலியம் (Be) மைய அணுவைச் சூழ இரண்டே தள்ளுகை அலகுகள் உள்ளன; இரண்டுமே பிணைப்பு இலத்திரன் சோடிகள். எனவே வடிவம் நேர்கோட்டு; Cl–Be–Cl பிணைப்புக் கோணம் 180°.
BF₃ — போரன் (B) மைய அணுவைச் சூழ மூன்று தள்ளுகை அலகுகள் உள்ளன; மூன்றுமே பிணைப்புச்சோடிகள். எனவே வடிவம் தள முக்கோணம்; F–B–F பிணைப்புக் கோணம் 120°.
CH₄ — காபன் (C) மைய அணுவைச் சூழ நான்கு பிணைப்பு இலத்திரன் சோடிகள் உள்ளன; தனிச்சோடி இல்லை. எனவே வடிவம் நானமுகி; H–C–H பிணைப்புக் கோணம் 109.5°.
PCl₅ — பொஸ்பரஸ் (P) மைய அணுவைச் சூழ ஐந்து பிணைப்புச்சோடிகள் உள்ளன. எனவே வடிவம் முக்கோண இருபக்க கூம்பகம்; தளத்தில் உள்ள பிணைப்புகளுக்கிடையில் 120°, தளத்திற்குச் செங்குத்தான பிணைப்புகளுக்கிடையில் 90°.
SF₆ — கந்தகம் (S) மைய அணுவைச் சூழ ஆறு பிணைப்புச்சோடிகள் உள்ளன. எனவே வடிவம் எண்முகி; அனைத்துப் பிணைப்புக் கோணங்களும் 90°.

SF₆ இன் எண்முகி இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கு

பணிக்கப்பட்ட உதாரணங்கள் — தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் வடிவத்தை மாற்றும் விதம்

எண்முகி மூலக்கூறு கேத்திர கணிதம்
*Octahedral molecular geometry*
Wikipedia → · CC

தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் மைய அணுவில் காணப்படும்போது, அவை பிணைப்பு இலத்திரன் சோடிகளைப் பலமாகத் தள்ளுவதனால் மூலக்கூறு வடிவம் கேத்திர கணித ஒழுங்கிலிருந்து வேறுபடுகின்றது.

NH₃ — நைதரசன் (N) மைய அணுவைச் சூழ மொத்தம் நான்கு தள்ளுகை அலகுகள் உள்ளன; மூன்று பிணைப்புச்சோடிகளும் ஒரு தனிச்சோடி இலத்திரன்களும். இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கு நானமுகி எனினும், தனிச்சோடியைக் கணக்கில் எடுக்காதபோது மூலக்கூறு வடிவம் முக்கோணப் பிரமிட்டு வடிவமாகும். தனிச்சோடியின் கூடிய தள்ளுகை காரணமாக H–N–H பிணைப்புக் கோணம் 109.5° இலிருந்து 107° ஆகச் சுருங்குகின்றது.
H₂O — ஒட்சிசன் (O) மைய அணுவைச் சூழ நான்கு தள்ளுகை அலகுகள் உள்ளன; இரண்டு பிணைப்புச்சோடிகளும் இரண்டு தனிச்சோடி இலத்திரன்களும். இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கு நானமுகி எனினும், மூலக்கூறு வடிவம் கோண வடிவமாகும். இரு தனிச்சோடிகளின் தள்ளுகை காரணமாக H–O–H பிணைப்புக் கோணம் 104.5° ஆகச் சுருங்குகின்றது.

இவ்விரண்டு உதாரணங்களும் ஒரு முக்கியமான போக்கைக் காட்டுகின்றன. தனிச்சோடி இலத்திரன்களின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும்போது பிணைப்புக் கோணம் தொடர்ந்து சுருங்குகின்றது. CH₄ இல் 109.5°, NH₃ இல் 107°, H₂O இல் 104.5° எனப் பிணைப்புக் கோணம் படிப்படியாகக் குறைவதே இதற்குச் சான்றாகும்.

CH₄, NH₃, H₂O இன் ஒப்பீட்டு வடிவங்களும் பிணைப்புக் கோணங்களும் — 109.5° → 107° → 104.5°

ஐந்து மற்றும் ஆறு தள்ளுகை அலகுகளைக் கொண்ட மூலக்கூறுகளிலும் தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் கேத்திர கணித ஒழுங்கைச் சிதைத்துத் தனித்துவமான வடிவங்களை உருவாக்குகின்றன. தனிச்சோடிகள் எப்போதும் தள்ளுகை குறைந்த நிலைகளில் — முக்கோண இருபக்க கூம்பகத்தில் நிலநேர் (equatorial) நிலைகளிலும், எண்முகியில் எதிரெதிர் முனைகளிலும் — அமைகின்றன.

தனிச்சோடி இலத்திரன்கள் 5 மற்றும் 6 தள்ளுகை அலகுகளைச் சிதைத்தல் — SF₄ ஊசலாட்டம், ClF₃ T-வடிவம், XeF₂ நேர்கோடு, XeF₄ சதுரத் தளம்

மைய அணுவைச் சூழ உள்ள மொத்தத் தள்ளுகை அலகுகளின் எண்ணிக்கை இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கைத் தீர்மானிக்கின்றது; அவற்றுள் எத்தனை தனிச்சோடிகள் என்பது மட்டுமே மூலக்கூறு வடிவத்தைத் தீர்மானிக்கின்றது. எனவே முதலில் லூயி கட்டமைப்பை வரைந்து, பின்னர் மொத்தத் தள்ளுகை அலகுகளையும் தனிச்சோடிகளையும் தனித்தனியாக எண்ணுதல் வேண்டும்.

தேர்வாளர் பார்வை

தேர்வில் மிகவும் பொதுவாக இடம்பெறும் தவறு, இலத்திரன் சோடிக் கேத்திர கணித ஒழுங்கையும் மூலக்கூறு வடிவத்தையும் ஒன்றெனக் கருதுவதாகும். NH₃ இன் கேத்திர கணித ஒழுங்கு நானமுகி எனினும் வடிவம் முக்கோணப் பிரமிட்டே; H₂O இன் கேத்திர கணித ஒழுங்கு நானமுகி எனினும் வடிவம் கோணமே. தனிச்சோடி இலத்திரன்களைக் கணக்கிலெடுக்காமை இரண்டாவது பொதுவான தவறாகும். பிணைப்புக் கோணம் கேட்கப்படும்போது, தனிச்சோடியின் கூடிய தள்ளுகை காரணமாக CH₄ → NH₃ → H₂O வரிசையில் கோணம் சுருங்கும் என்பதை மறக்கலாகாது. பகுதி II கட்டுரை வினாவில் வடிவத்தைக் கூறுவதோடு நில்லாமல், அதற்குக் காரணமான தள்ளுகை வரிசையையும் விளக்க வேண்டும்.

VSEPR கோட்பாடு
*VSEPR theory*
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

VSEPR கொள்கையின் அடிப்படை:
1. கரு ஈர்ப்பு
2. இலத்திரன் சோடிகளுக்கிடையேயான தள்ளுகை
3. அயன் ஏற்றம்
4. திணிவு
5. ஐதரசன் பிணைப்பு
விடை
(2) — வலுவளவு இலத்திரன் சோடிகள் முடிந்தவரை தொலைவாக அமைகின்றன.
CH₄ இன் வடிவமும் பிணைப்புக்கோணமும்:
1. நேர்கோடு, 180°
2. தள முக்கோணம், 120°
3. நானமுகி, 109.5°
4. கோணம், 104.5°
5. எண்முகி, 90°
விடை
(3) — 4 பிணைப்புச் சோடி → நானமுகி, 109.5°.
NH₃ இன் பிணைப்புக்கோணம் (CH₄-ஐ விட குறைவு) ஏனெனில்:
1. பெரிய அணு
2. தனிச்சோடி தள்ளுகை
3. அயன் தன்மை
4. மும்மைப் பிணைப்பு
5. எதுவுமில்லை
விடை
(2) — தனிச்சோடி அதிக தள்ளுகை → கோணம் 107°.
H₂O இன் வடிவம்:
1. நேர்கோடு
2. நானமுகி
3. கோண (bent)
4. தள முக்கோணம்
5. பிரமிட்டு
விடை
(3) — 2 பிணைப்பு + 2 தனிச்சோடி → கோண வடிவம், 104.5°.
தனிச்சோடி தள்ளுகை வரிசை (அதிக → குறை):
1. BP–BP > LP–BP > LP–LP
2. LP–LP > LP–BP > BP–BP
3. சமம்
4. LP–BP > LP–LP
5. தெரியாது
விடை
(2) — தனிச்சோடி–தனிச்சோடி தள்ளுகையே மிக வலிமை.
5 பிணைப்புச் சோடிகளின் (PCl₅) வடிவம்:
1. நானமுகி
2. எண்முகி
3. முக்கோண இருபக்க கூம்பகம்
4. நேர்கோடு
5. தள முக்கோணம்
விடை
(3) — 5 → முக்கோண இருபக்க கூம்பகம்.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• CH₄, NH₃, H₂O இன் வடிவங்களையும் பிணைப்புக்கோணங்களையும் ஒப்பிட்டு, கோணம் குறைவதற்குக் காரணம் தருக.

மாதிரி விடை

CH₄ நானமுகி 109.5°; NH₃ முக்கோணப் பிரமிட்டு 107°; H₂O கோண 104.5°. தனிச்சோடிகள் கூடக்கூட தள்ளுகை ↑ → கோணம் ↓.

• VSEPR கொள்கையின்படி இலத்திரன் சோடிகள் 2,3,4,6 இருக்கும்போதான வடிவங்களைத் தருக.

மாதிரி விடை

2→நேர்கோடு; 3→தள முக்கோணம்; 4→நானமுகி; 6→எண்முகி.

கட்டுரை வினா

• VSEPR கொள்கையை — அடிப்படை, தள்ளுகை வரிசை, தனிச்சோடியின் விளைவு, எடுத்துக்காட்டு வடிவங்களுடன் விளக்குக.

விடை வரைவு

வரைவு: இலத்திரன் சோடிகள் அதிகபட்ச தொலைவில்; LP–LP>LP–BP>BP–BP; தனிச்சோடி கோணத்தைக் குறைக்கும்; 2/3/4/5/6 → நேர்கோடு/தள முக்கோணம்/நானமுகி/முக்கோண இருபக்கம்/எண்முகி.

← அலகு 2