அலிபாட்டிக் ஐதரோகார்பன்களின் கட்டமைப்பு

முழுமையான பார்வை — அலிபாட்டிக் ஐதரோகார்பன்கள் என்றால் என்ன?

காபனையும் ஐதரசனையும் மட்டுமே கொண்டுள்ள சேர்வைகள் ஐதரோகார்பன்கள் (hydrocarbons) எனப்படுகின்றன. வளையமற்ற, திறந்த சங்கிலி அமைப்பைக் கொண்ட ஐதரோகார்பன்கள் அலிபாட்டிக் ஐதரோகார்பன்கள் (aliphatic hydrocarbons) என அழைக்கப்படுகின்றன. அலிபாட்டிக் ஐதரோகார்பன்கள் காபன் அணுக்களுக்கிடையேயான பிணைப்பின் தன்மையின் அடிப்படையில் அற்கேன்கள் (alkanes), அற்கீன்கள் (alkenes), அற்கைன்கள் (alkynes) என மூன்று வகுப்புகளாகப் பாகுபடுத்தப்படுகின்றன.

இம்மூன்று வகுப்புகளுக்கும் இடையேயான அடிப்படை வேறுபாடு, காபன் அணுக்களுக்கிடையே அமைந்துள்ள பிணைப்பு வகையாகும். அற்கேன்களில் காபன்–காபன் ஒற்றைப் பிணைப்புகள் மட்டுமே காணப்படுகின்றன; அற்கீன்களில் ஒரு காபன்–காபன் இரட்டைப் பிணைப்பு உள்ளது; அற்கைன்களில் ஒரு காபன்–காபன் மும்மைப் பிணைப்பு உள்ளது. பிணைப்பின் இவ்வேறுபாடு, ஒவ்வொரு காபன் அணுவின் கலப்பாக்கத்தையும் (hybridisation), அதன் வடிவவியலையும், சேர்வையின் பௌதீக இயல்புகளையும் தீர்மானிக்கின்றது. இப்பாடத்தில் இம்மூன்று வகுப்புகளினதும் கட்டமைப்பும், பிணைப்புகளின் தன்மையும், பௌதீக இயல்புகளும் ஆராயப்படுகின்றன.

1. அற்கேன்கள் — நிரம்பிய ஐதரோகார்பன்கள் (NIE 2.1.1)

அற்கேன்கள் (alkanes) என்பன நிரம்பிய ஐதரோகார்பன்களாகும் (saturated hydrocarbons). இச்சேர்வைகளில் காபன்–காபன், காபன்–ஐதரசன் ஒற்றைப் பிணைப்புகள் மட்டுமே காணப்படுகின்றன; இரட்டை அல்லது மும்மைப் பிணைப்பு எதுவும் இல்லை. ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் அதனால் இணைக்கக்கூடிய அதிகபட்ச எண்ணிக்கையான ஐதரசன் அணுக்களைக் கொண்டிருப்பதால், இவை "நிரம்பிய" என அழைக்கப்படுகின்றன. மிக எளிய அற்கேன் மெத்தேன் (methane, CH₄) ஆகும்; இது ஒரே ஒரு காபன் அணுவைக் கொண்டுள்ளது.

சக்கர அற்கேன்களைத் தவிர்ந்த ஏனைய அற்கேன்களின் பொதுச் சூத்திரம் CₙH₂ₙ₊₂ ஆகும்; இங்கு n என்பது மூலக்கூற்றில் உள்ள காபன் அணுக்களின் எண்ணிக்கையாகும். தொடரில் அடுத்தடுத்த இரு உறுப்பினர்களின் மூலக்கூற்றுச் சூத்திரம் ஒரு CH₂ அலகால் வேறுபடுகின்றது; ஒரே பொதுச் சூத்திரத்தையும் ஒத்த இரசாயன இயல்புகளையும் கொண்ட இத்தகைய சேர்வைத் தொடர் அமைப்பொத்த தொடர் (homologous series) என அழைக்கப்படுகின்றது. மெத்தேன் (CH₄), எத்தேன் (C₂H₆), புரொப்பேன் (C₃H₈) என்பன அற்கேன் அமைப்பொத்த தொடரின் முதல் மூன்று உறுப்பினர்களாகும்.

1.1 அற்கேன்களின் கட்டமைப்பு — sp³ கலப்பாக்கம் (NIE 2.1.2)

அற்கேன்களின் கட்டமைப்பு காபன் அணுவின் கலப்பாக்கத்தின் (hybridisation) அடிப்படையில் விளக்கப்படுகின்றது. காபன் அணுவின் தரைநிலை இலத்திரன் அமைப்பு 1s² 2s² 2p² ஆகும். இவ்வமைப்பில் தனி இலத்திரன்களைக் கொண்ட ஓபிற்றல்கள் இரண்டே; எனவே காபன் நேரடியாக இரு பிணைப்புகளையே உருவாக்க முடியும். ஆனால் மெத்தேனில் காபன் நான்கு பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றது. இதனை விளக்க, 2s ஓபிற்றலிலுள்ள ஒரு இலத்திரன் வெற்று 2p ஓபிற்றலுக்கு உயர்த்தப்படுகின்றது; இதன் விளைவாக நான்கு தனி இலத்திரன்கள் கிடைக்கின்றன.

இதன் பின்னர், ஒரு 2s ஓபிற்றலும் மூன்று 2p ஓபிற்றல்களும் ஒன்றுடன் ஒன்று கலந்து, சமமான சக்தியுடைய நான்கு புதிய ஓபிற்றல்களை உருவாக்குகின்றன. ஓபிற்றல்கள் இவ்வாறு கலந்து புதிய ஓபிற்றல்கள் உருவாதல் கலப்பாக்கம் (hybridisation) எனப்படுகின்றது. ஒரு s ஓபிற்றலும் மூன்று p ஓபிற்றல்களும் கலப்பதால் உருவாகும் இந்நான்கு ஓபிற்றல்களும் sp³ கலப்பு ஓபிற்றல்கள் (sp³ hybrid orbitals) என அழைக்கப்படுகின்றன. அற்கேனில் உள்ள ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் sp³ கலப்பாக்கத்துக்கு உட்படுகின்றது.

நான்கு sp³ ஓபிற்றல்களும் ஒன்றையொன்று கூடிய அளவு தள்ளியிருக்க, அவை ஒரு நான்முகியின் (tetrahedron) நான்கு உச்சிகளை நோக்கி அமைகின்றன. இதனால் ஒவ்வொரு sp³ காபன் அணுவும் நான்முகி வடிவத்தைக் (tetrahedral) கொண்டுள்ளது; எந்த இரு பிணைப்புகளுக்கும் இடைப்பட்ட கோணம் 109.5° ஆகும். மெத்தேனில் காபனின் ஒவ்வொரு sp³ ஓபிற்றலும் ஒரு ஐதரசன் அணுவின் 1s ஓபிற்றலுடன் நேர்கோட்டில் மேற்பொருந்தி (end-on overlap) ஒரு C–H σ பிணைப்பை (sigma bond) உருவாக்குகின்றது. எத்தேன் போன்ற நீண்ட அற்கேன்களில், காபன்–காபன் பிணைப்பு இரு காபன் அணுக்களின் sp³ ஓபிற்றல்களின் நேர்கோட்டு மேற்பொருந்துகையால் உருவாகும் ஒரு C–C σ பிணைப்பாகும். ஆகவே அற்கேன்களில் σ பிணைப்புகள் மட்டுமே காணப்படுகின்றன; π பிணைப்பு எதுவும் இல்லை.

1.2 அற்கேன்களின் பிணைப்புத் தன்மையும் தாக்கத்திறனும்

காபனின் மின்னெதிர்த்தன்மையும் (electronegativity) ஐதரசனின் மின்னெதிர்த்தன்மையும் ஏறக்குறைய சமமாக இருப்பதால், C–H பிணைப்பு கிட்டத்தட்ட முனைவற்றதாகும். மேலும் C–C பிணைப்பு முற்றிலும் முனைவற்றதாகும். எனவே ஒட்டுமொத்தமாக ஒரு அற்கேன் மூலக்கூறு முனைவற்றது (non-polar) அல்லது மிகக் குறைந்த முனைவையே கொண்டுள்ளது. C–C, C–H σ பிணைப்புகள் வலுவானவை; அவற்றில் இலகுவில் தாக்கப்படக்கூடிய இலத்திரன் செறிந்த பகுதி எதுவும் இல்லை. இக்காரணங்களால் அற்கேன்கள் குறைந்த தாக்கத்திறனைக் (low reactivity) கொண்டுள்ளன; இவை சாதாரண நிபந்தனைகளில் அமிலங்கள், காரங்கள், ஒட்சியேற்றிகள் போன்றவற்றுடன் இலகுவில் தாக்கமடைவதில்லை.

1.3 அற்கேன்களின் பௌதீக இயல்புகள் (NIE 2.1.1)

இரு முனைவற்ற அற்கேன் மூலக்கூறுகளுக்கிடையே செயற்படும் ஒரே ஈர்ப்பு விசை கலைவு விசைகளாகும் (dispersion forces). காபன் சங்கிலியின் நீளம் அதிகரிக்கும்போது மூலக்கூற்றின் மேற்பரப்புப் பரப்பளவு அதிகரிக்கின்றது; இதனால் மூலக்கூறுகளுக்கிடையேயான கலைவு விசைகளும் வலுப்பெறுகின்றன. வலுவான கலைவு விசைகளை வெல்வதற்கு அதிக சக்தி தேவைப்படுவதால், காபன் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும்போது கொதிநிலையும் உருகுநிலையும் சீராக அதிகரிக்கின்றன. தொடரின் முதல் நான்கு உறுப்பினர்கள் (மெத்தேன் முதல் பியூட்டேன் வரை) அறை வெப்பநிலையில் வாயுக்களாகவும், அடுத்து வரும் உறுப்பினர்கள் திரவங்களாகவும், மிக நீண்ட சங்கிலியுடைய உறுப்பினர்கள் திண்மங்களாகவும் காணப்படுகின்றன. அடர்த்தியும் காபன் எண்ணிக்கையுடன் படிப்படியாக அதிகரிக்கின்றது; எனினும் அற்கேன்கள் அனைத்தும் நீரிலும் குறைந்த அடர்த்தியையே கொண்டுள்ளன.

காபன் சங்கிலியில் கிளைத்தல் (branching) ஏற்படும்போது, மூலக்கூறு கூடுதலான கோளவடிவத்தை அடைகின்றது; இதனால் அதன் மேற்பரப்புப் பரப்பளவு குறைவடைகின்றது. மேற்பரப்பு குறைவடைவதால் கலைவு விசைகளும் நலிவடைகின்றன. எனவே, ஒரே மூலக்கூற்று நிறையைக் கொண்ட இரு சமபகுதியங்களில் (isomers), அதிக கிளைத்தலைக் கொண்ட மூலக்கூறு குறைந்த கொதிநிலையைக் கொண்டிருக்கும். உதாரணமாக, நேர்ச்சங்கிலிப் பென்டேன் 36 °C இல் கொதிக்கின்றது; ஆனால் மிக அதிகமாகக் கிளைக்கப்பட்ட அதன் சமபகுதியமான 2,2-டைமெத்தில்புரொப்பேன் 9.5 °C இலேயே கொதிக்கின்றது.

அற்கேன்	சூத்திரம்	உருகுநிலை / °C	கொதிநிலை / °C	அறை வெப்பநிலையில்
மெத்தேன் (methane)	CH₄	−183	−162	வாயு
எத்தேன் (ethane)	C₂H₆	−172	−89	வாயு
புரொப்பேன் (propane)	C₃H₈	−188	−42	வாயு
பியூட்டேன் (butane)	C₄H₁₀	−138	−0.5	வாயு
பென்டேன் (pentane)	C₅H₁₂	−130	36	திரவம்
ஒக்டேன் (octane)	C₈H₁₈	−57	126	திரவம்
டெக்கேன் (decane)	C₁₀H₂₂	−30	174	திரவம்

2. அற்கீன்களும் அற்கைன்களும் — நிரம்பாத ஐதரோகார்பன்கள் (NIE 2.1.3)

அற்கீன்களும் (alkenes) அற்கைன்களும் (alkynes) நிரம்பாத ஐதரோகார்பன்களாகும் (unsaturated hydrocarbons). அற்கீன்கள் குறைந்தது ஒரு காபன்–காபன் இரட்டைப் பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளன; அற்கைன்கள் குறைந்தது ஒரு காபன்–காபன் மும்மைப் பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளன. ஒரு இரட்டைப் பிணைப்பை மட்டும் கொண்டுள்ள, வேறு தொழிற்படும் தொகுதிகளற்ற, சக்கரமற்ற அற்கீன்களின் பொதுச் சூத்திரம் CₙH₂ₙ ஆகும். ஒரு மும்மைப் பிணைப்பை மட்டும் கொண்டுள்ள, வேறு தொழிற்படும் தொகுதிகளற்ற அற்கைன்களின் பொதுச் சூத்திரம் CₙH₂ₙ₋₂ ஆகும்.

காபன்–காபன் இரட்டைப் பிணைப்பும் மும்மைப் பிணைப்பும், அற்கேன்களில் உள்ள காபன்–காபன் ஒற்றைப் பிணைப்பைவிட வலுவானவையும் குறுகியவையுமாகும். ஒற்றைப் பிணைப்பின் சராசரிப் பிணைப்பு நீளம் ஏறக்குறைய 154 pm; இரட்டைப் பிணைப்பு 134 pm; மும்மைப் பிணைப்பு 120 pm. மும்மைப் பிணைப்பில் அதிக எண்ணிக்கையான பகிரப்பட்ட இலத்திரன் சோடிகள் காணப்படுவதே இதற்குக் காரணம். இந்நிரம்பாத பிணைப்புகளில் காணப்படும் π இலத்திரன்களே அற்கீன்களையும் அற்கைன்களையும் கூட்டல் தாக்கங்களில் ஈடுபடச் செய்கின்றன.

3. அற்கீன்களின் கட்டமைப்பு — sp² கலப்பாக்கம் (NIE 2.1.4)

மிக எளிய அற்கீன் எத்தீன் (ethene, C₂H₄) ஆகும்; இது ஒரு காபன்–காபன் இரட்டைப் பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளது. எத்தீனில் இரட்டைப் பிணைப்பில் ஈடுபடும் ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் sp² கலப்பாக்கத்துக்கு உட்படுகின்றது. இதில் ஒரு 2s ஓபிற்றலும் இரு 2p ஓபிற்றல்களும் கலந்து, சமமான சக்தியுடைய மூன்று sp² கலப்பு ஓபிற்றல்களை (sp² hybrid orbitals) உருவாக்குகின்றன. மூன்றாவது 2p ஓபிற்றல் கலப்பாக்கத்தில் ஈடுபடாமல் (unhybridised) எஞ்சுகின்றது.

மூன்று sp² ஓபிற்றல்களும் ஒரே தளத்தில் அமைந்து, ஒரு சமபக்க முக்கோணியின் (trigonal) மூன்று உச்சிகளை நோக்கி நீள்கின்றன; அவற்றுக்கு இடைப்பட்ட கோணம் ஏறக்குறைய 120° ஆகும். எனவே ஒவ்வொரு sp² காபன் அணுவும் தளமுக்கோணி வடிவத்தைக் (trigonal planar) கொண்டுள்ளது. கலப்பாக்கத்தில் ஈடுபடாத p-ஓபிற்றல் இத்தளத்துக்குச் செங்குத்தாக (perpendicular) அமைந்துள்ளது.

எத்தீனில் ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் இரு sp² ஓபிற்றல்களைப் பயன்படுத்தி இரு ஐதரசன் அணுக்களுடன் இரு C–H σ பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றது. ஒவ்வொரு காபனிலும் எஞ்சும் மூன்றாவது sp² ஓபிற்றல், இன்னொரு காபனின் sp² ஓபிற்றலுடன் நேர்கோட்டில் மேற்பொருந்தி (end-on overlap) ஒரு C–C σ பிணைப்பை உருவாக்குகின்றது. ஆகவே இரட்டைப் பிணைப்பின் முதலாவது கூறு ஒரு σ பிணைப்பாகும்.

இரண்டாவது கூறு வேறுவகையானது. ஒவ்வொரு காபனிலும் உள்ள கலப்பாக்கத்தில் ஈடுபடாத p-ஓபிற்றல்கள் ஒன்றுக்கொன்று சமாந்தரமாக அமைந்துள்ளன. இவை பக்கவாட்டில் மேற்பொருந்துகின்றன (sideways / lateral overlap); இம்மேற்பொருந்துகையால் உருவாகும் பிணைப்பு ஒரு π பிணைப்பாகும் (pi bond). எனவே, காபன்–காபன் இரட்டைப் பிணைப்பு ஒரு σ பிணைப்பையும் ஒரு π பிணைப்பையும் கொண்டுள்ளது. π பிணைப்பு σ பிணைப்பைவிட நலிவானது; ஏனெனில் பக்கவாட்டு மேற்பொருந்துகை நேர்கோட்டு மேற்பொருந்துகையைவிடக் குறைவான திறன் கொண்டது.

π பிணைப்பு உருவாவதற்கு இரு p-ஓபிற்றல்களும் சமாந்தரமாக இருத்தல் அவசியம். இரட்டைப் பிணைப்பைச் சுற்றிச் சுழற்சி நிகழ்ந்தால், p-ஓபிற்றல்கள் சமாந்தரத்தன்மையை இழந்து π பிணைப்பு உடைந்துவிடும். இதற்கு அதிக சக்தி தேவைப்படுவதால், காபன்–காபன் இரட்டைப் பிணைப்பைச் சுற்றிச் சுழற்சி தடைப்படுத்தப்படுகின்றது (restricted rotation). இதுவே அற்கீன்களில் சமாட்சிய சமபகுதியம் (cis-trans / geometrical isomerism) தோன்றுவதற்கான அடிப்படைக் காரணம்.

4. அற்கைன்களின் கட்டமைப்பு — sp கலப்பாக்கம் (NIE 2.1.5)

மிக எளிய அற்கைன் எத்தைன் (ethyne, C₂H₂) ஆகும்; இது ஒரு காபன்–காபன் மும்மைப் பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளது. எத்தைனில் மும்மைப் பிணைப்பில் ஈடுபடும் ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் sp கலப்பாக்கத்துக்கு உட்படுகின்றது. இதில் ஒரு 2s ஓபிற்றலும் ஒரு 2p ஓபிற்றலும் மட்டுமே கலந்து, சமமான சக்தியுடைய இரு sp கலப்பு ஓபிற்றல்களை (sp hybrid orbitals) உருவாக்குகின்றன. மீதமுள்ள இரு 2p ஓபிற்றல்கள் கலப்பாக்கத்தில் ஈடுபடாமல் எஞ்சுகின்றன.

இரு sp ஓபிற்றல்களும் ஒன்றுக்கொன்று எதிரான திசைகளில் ஒரே நேர்கோட்டில் அமைகின்றன; அவற்றுக்கு இடைப்பட்ட கோணம் 180° ஆகும். எனவே ஒவ்வொரு sp காபன் அணுவும் நேர்கோட்டு வடிவத்தைக் (linear) கொண்டுள்ளது; எத்தைன் மூலக்கூறு முழுவதும் ஒரு நேர்கோட்டில் அமைந்த நேர்கோட்டு மூலக்கூறாகும். கலப்பாக்கத்தில் ஈடுபடாத இரு p-ஓபிற்றல்களும் இந்நேர்கோட்டுக்கும் ஒன்றுக்கொன்றும் செங்குத்தாக அமைந்துள்ளன.

எத்தைனில் ஒவ்வொரு காபன் அணுவும் ஒரு sp ஓபிற்றலைப் பயன்படுத்தி ஒரு ஐதரசன் அணுவுடன் ஒரு C–H σ பிணைப்பையும், மற்ற sp ஓபிற்றலைப் பயன்படுத்தி இன்னொரு காபனுடன் நேர்கோட்டு மேற்பொருந்துகையால் ஒரு C–C σ பிணைப்பையும் உருவாக்குகின்றது. ஆகவே மும்மைப் பிணைப்பின் முதலாவது கூறு ஒரு σ பிணைப்பாகும்.

ஒவ்வொரு காபனிலும் உள்ள கலப்பாக்கத்தில் ஈடுபடாத இரு p-ஓபிற்றல்கள், மற்றொரு காபனின் தொடர்புடைய p-ஓபிற்றல்களுடன் சமாந்தரமாக அமைந்து, இரண்டு வேறு தளங்களில் பக்கவாட்டில் மேற்பொருந்துகின்றன. இம்மேற்பொருந்துகையால் இரு π பிணைப்புகள் உருவாகின்றன. எனவே, காபன்–காபன் மும்மைப் பிணைப்பு ஒரு σ பிணைப்பையும் இரு π பிணைப்புகளையும் கொண்டுள்ளது. இந்த இரு π முகில்களும் C–C அச்சைச் சுற்றி ஒரு உருளை வடிவ இலத்திரன் முகிலை உருவாக்குகின்றன; அதிக எண்ணிக்கையான இலத்திரன் சோடிகள் காரணமாக மும்மைப் பிணைப்பு மூன்று வகைப் பிணைப்புகளிலும் மிகக் குறுகியதும் வலுவானதுமாகும்.

5. மூன்று வகுப்புகளும் — ஒப்பீட்டுச் சுருக்கம்

அற்கேன்கள், அற்கீன்கள், அற்கைன்கள் ஆகிய மூன்று வகுப்புகளுக்கும் இடையேயான அடிப்படை வேறுபாடுகள் கீழே அட்டவணைப்படுத்தப்பட்டுள்ளன. ஒவ்வொரு வகுப்பினதும் கட்டமைப்பும் வடிவவியலும் முற்றிலும் ஒவ்வொரு காபன் அணுவின் கலப்பாக்க வகையால் தீர்மானிக்கப்படுகின்றன என்பதைக் கவனிக்க வேண்டும்.

இயல்பு	அற்கேன்கள் (alkanes)	அற்கீன்கள் (alkenes)	அற்கைன்கள் (alkynes)
பொதுச் சூத்திரம்	CₙH₂ₙ₊₂	CₙH₂ₙ	CₙH₂ₙ₋₂
தன்மை	நிரம்பியது	நிரம்பாதது	நிரம்பாதது
காபன்–காபன் பிணைப்பு	ஒற்றை (C–C)	இரட்டை (C=C)	மும்மை (C≡C)
கலப்பாக்கம்	sp³	sp²	sp
பிணைப்புக் கோணம்	109.5°	~120°	180°
வடிவவியல்	நான்முகி	தளமுக்கோணி	நேர்கோட்டு
பிணைப்புக் கூறுகள்	σ மட்டும்	1 σ + 1 π	1 σ + 2 π
எளிய உறுப்பினர்	மெத்தேன் CH₄	எத்தீன் C₂H₄	எத்தைன் C₂H₂

🌐 விளக்க படம் / Explanatory Diagram