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कोर्स: उत्तर प्रदेश कक्षा 11 रसायन विज्ञान > यूनिट 2
लेसन 5: परमाणु का क्वांटम यांत्रिकीय ( quantum mechanical) मॉडलइलेक्ट्रॉन विन्यास (Electron configurations) - लेख
इलेक्ट्रॉन विन्यास क्या हैं?
हमारे शरीर की कोशिकाएं क्वांटम भौतिकी में निपुण हैं---उन्होंने परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों के जटिल क्रियाकलापों का पता लगा लिया है, और वे इस ज्ञान का उपयोग सिग्नलिंग पथों और आनुवंशिक सर्किटों की एक अंतहीन जटिल श्रृंखला बनाने के लिए करते हैं। किन्तु हम क्वांटम यांत्रिकी में उतने निपुण नहीं हैं, और इसलिए यदि हम उन सभी जटिल स्थितियों पर नज़र रखना चाहते हैं जिनमें हमारे शरीर में इलेक्ट्रॉन स्वयं को पाते हैं, तो हमें एक परिष्कृत अंकन प्रणाली को अपनाना होगा।
इलेक्ट्रॉन विन्यास एक परमाणु में सभी इलेक्ट्रॉनों के स्थान (locations) को लिखने का एक सरल तरीका है। जैसा कि हम जानते हैं, परमाणु के नाभिक में धनावेशित प्रोटॉन ऋणावेशित इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करते हैं। यद्यपि ये सभी इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन के प्रति आकर्षण के कारण परमाणु के भीतर चिपके रहते हैं, किन्तु वे परस्पर एक-दूसरे को प्रतिकर्षित भी करते हैं, जिससे वे एक नियमित पैटर्न में नाभिक के चारों ओर फैल जाते हैं। इसके परिणामस्वरूप सुंदर ज्यामितीय संरचनाएं बनती हैं जिन्हें कक्षक (orbitals) कहा जाता है। कक्षक नाभिक के चारों ओर उन अलग-अलग क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं जिनमें प्रत्येक इलेक्ट्रॉन परिक्रमा करता है। इलेक्ट्रॉनों के एक दूसरे के ऊपर इकट्ठा होने के बजाय अपनी अलग-अलग कक्षाओं में रहने का कारण पाउली अपवर्जन सिद्धांत है। यह क्वांटम यांत्रिकी की एक प्रमेय है जो बताती है कि कोई भी दो इलेक्ट्रॉन कभी भी एक ही स्थान पर नहीं हो सकते हैं। पाउली अपवर्जन सिद्धांत की उत्पत्ति का कारण ऋणात्मक इलेक्ट्रॉनों के स्थिरविद्युत प्रतिकर्षण (electrostatitc repulsion) से कहीं अधिक है: इसका कारण वह मूलभूत भौतिक सिद्धांत हैं जो सभी उपपरमाण्विक कणों को प्रतिबंधित करते हैं।
कक्षक एक परमाणु में प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के लिए पहचानने योग्य "पते" का प्रतिनिधित्व करते हैं। मान लें कि इलेक्ट्रॉन एक अच्छे पार्क के पास स्थित इमारतों में बने घरों में रहने वाले किरायेदारों की तरह हैं। सभी इलेक्ट्रॉन पार्क (नाभिक) के पास रहना चाहते हैं, लेकिन वे सभी एक ही स्थान पर नहीं रह सकते। अतः, कुछ ही इलेक्ट्रॉनों को नाभिक के निकटतम इमारतों में रहने का मौका मिलता है। लेकिन जैसे-जैसे उन इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ती है जो किसी दिए गए नाभिक के पास रहना चाहते हैं, उनमें से कुछ को नाभिक से दूर जाने की आवश्यकता होती है क्योंकि नाभिक के पास के घर भर जाते हैं। यह आवर्त सारणी में देखी गई एक प्रवृत्ति का वर्णन करता है: छोटे परमाणु क्रमांक (और इस प्रकार कम इलेक्ट्रॉन) वाले तत्वों के अधिकांश इलेक्ट्रॉन नाभिक के पास की कक्षाओं में रहते हैं। जैसे-जैसे हम आवर्त सारणी में आगे बढ़ते हैं, नाभिक से बाहर की कक्षाएँ और ऊर्जा स्तर इलेक्ट्रॉनों से भरने लगते हैं।
किसी परमाणु में कोई इलेक्ट्रॉन कहां रहता है, इसका पता लगाने के लिए, आपको न केवल यह पता होना चाहिए कि यह नाभिक से कितनी दूर पाया जाता है (जो इसके ऊर्जा स्तर को निर्धारित करता है, क्योंकि नाभिक से दूर स्थित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा अधिक होती है), बल्कि कक्षक का प्रकार जिसमें यह पाया जा सकता है, भी पता होना चाहिए। इसे इस तरह सोचें कि हमें न केवल इलेक्ट्रॉन किस इमारत (ऊर्जा स्तर) में रहता है, यह पता होना चाहिए, बल्कि इसके घर का नंबर भी पता होना चाहिए। यदि हम उन इमारतों का नक्शा बनाएं जहां इलेक्ट्रॉन रहते हैं, साथ ही प्रत्येक इमारत में उपलब्ध घरों के प्रकार भी बनाएं, तो यह कुछ इस तरह दिखेगा:
ध्यान दें कि कैसे प्रत्येक इमारत (ऊर्जा स्तर) में सभी छोटे घरों की एक प्रति के अलावा, बड़ी संख्या में निवासियों वाला एक नए प्रकार का घर (कक्षक) शामिल है।
चूँकि रसायनज्ञ वास्तव में इस बात में रुचि रखते हैं कि किसी दिए गए परमाणु में सभी इलेक्ट्रॉन कहाँ रहते हैं, वे इलेक्ट्रॉन विन्यास नामक प्रतीकों की एक श्रृंखला बनाते हैं जो किसी दिए गए परमाणु के लिए इस सारी जानकारी का ब्यौरा रखता है। उदाहरण के लिए, ऑक्सीजन का इलेक्ट्रॉन विन्यास इस प्रकार दिखता है:
छोटे मूर्धान्क (superscript) बताते हैं कि प्रत्येक कक्षक में कितने इलेक्ट्रॉन रहते हैं, अक्षर उपलब्ध कक्षकों का प्रतिनिधित्व करते हैं, और बड़ी संख्याएं बताती हैं कि कक्षक किस ऊर्जा स्तर में पाए जाते हैं। याद रखें कि इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या प्रोटॉन की कुल संख्या के बराबर होती है, और इस प्रकार मूर्धान्कों का योग ऑक्सीजन की परमाणु संख्या 8 के बराबर होता है। प्रत्येक ऊर्जा स्तर (इमारत) में चार अलग-अलग कक्षक (घर) उपलब्ध हैं, लेकिन प्रत्येक कक्षक में रहने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या, कक्षक के प्रकार के आधार पर भिन्न होती है:
- छोटे घर, जिसे s द्वारा दर्शाया गया है, में केवल दो लोग रह सकते हैं।
- मानक आकार के घर, p, में अधिकतम 6 लोग रह सकते हैं। चूँकि ऑक्सीजन परमाणुओं में केवल 8 इलेक्ट्रॉन घर ढूंढ रहे हैं, ऑक्सीजन के इस घर में केवल 4 निवासी हैं और इसलिए किसी भी रासायनिक अभिक्रिया जिसमें ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉन प्राप्त करता है, के लिए दो अतिरिक्त स्थान उपलब्ध हैं।
- पार्क के बाहरी इलाके में कुछ बड़ी इमारतों में और भी बड़े घर, d (10 इलेक्ट्रॉन) और f (14 इलेक्ट्रॉन), उपलब्ध हो सकते हैं। लेकिन आप आम तौर पर इनसे आपका सामना तभी होगा जब आप वास्तव में आवर्त सारणी में बहुत नीचे हों और इसलिए बहुत सारे इलेक्ट्रॉन घरों की तलाश में हों।जब आप आवर्त सारणी में आगे बढ़ते हैं तो कौन से इलेक्ट्रॉन किस कक्षा में जाते हैं, यह निर्धारित करने के नियम और भी जटिल हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि भले ही नजदीकी घरों में रिक्त स्थान उपलब्ध क्यों न हों, किन्तु क्वांटम यांत्रिकी के कारण उत्पन्न सूक्ष्म प्रभाव इलेक्ट्रॉनों को नाभिक से दूर घर चुनने के लिए प्रोत्साहित कर सकते हैं। लेकिन हर स्थिति में दो सामान्य प्रवृत्तियाँ समान रहती हैं: पहली, इलेक्ट्रॉन नाभिक के करीब रहना चाहते हैं, और दूसरी, इलेक्ट्रॉन अपने घर को पूरी तरह भरना चाहते हैं।
हम इलेक्ट्रॉन विन्यास कैसे बनाते हैं?
इलेक्ट्रॉन विन्यास बनाने का सबसे आसान तरीका इलेक्ट्रॉन विन्यास तालिका का उपयोग करना है, जो इलेक्ट्रॉनों के लिए उपलब्ध विभिन्न कक्षकों को लिखने का एक तरीका है। इस तालिका को याद रखना आसान है, और यह किसी भी तत्व के लिए इलेक्ट्रॉन विन्यास तालिका को बनाना संभव बनाता है। यह कुछ इस तरह दिखती है
इसका उपयोग करने के लिए सबसे पहले तालिका बनानी है, जिसे याद रखना बहुत कठिन नहीं होना चाहिए क्योंकि पंक्तियाँ ऊर्जा स्तर के अनुरूप होती हैं और स्तम्भ कक्षक के प्रकारों के अनुरूप होते हैं। नाभिक से इलेक्ट्रॉनों की निकटता की वजह से उत्पन्न क्राउडिंग प्रभाव के कारण पहली दो पंक्तियों में कम स्तम्भ होते हैं। एक बार जब आप तालिका याद कर लें और उसे बना लें, तो बस तब तक तीर के चिह्न का अनुसरण करें (ऊपर से शुरू करते हुए) जब तक कि मूर्धान्कों का योग आपके परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या के बराबर ना हो जाए। इसलिए यदि आप बेरिलियम (4 इलेक्ट्रॉन) के लिए इलेक्ट्रॉन विन्यास लिखना चाहते हैं, तो आप शीर्ष से शुरू करेंगे और 1s से गुजरेंगे, और तब तक आप घूमेंगे जब तक आप 2s तक नहीं पहुंच जाते। जिन बुलबुलों (bubbles) से आप गुजरे हैं उनके मूर्धान्कों का योग अब 4 है, और इसलिए आपका काम हो गया। आपका पथ बेरिलियम के लिए सही विन्यास बताता है:
एक मजेदार बात जो आप देख सकते हैं वह यह है कि क्रमिक तत्वों के इलेक्ट्रॉन विन्यास (उनकी आवर्त-संख्या के अनुसार क्रमबद्ध) में एक-दूसरे का समावेश होता है। उदाहरण के लिए, पहले चार तत्वों, हाइड्रोजन, हीलियम, लिथियम और बेरिलियम का इलेक्ट्रॉन विन्यास इस तरह दिखता है
और इसी तरह शेष तत्वों के लिए। जब रसायनशास्त्री एक बड़े परमाणु क्रमांक (यानि बहुत सारे इलेक्ट्रॉन) वाले एक परमाणु के लंबे इलेक्ट्रॉन विन्यास को लिखते हैं, तो वे कभी-कभी वह जिस तत्व का अध्ययन कर रहे हैं, उसके परमाणु क्रमांक से छोटे परमाणु क्रमांक वाली सबसे भारी अक्रिय गैस से संबंधित पहले कुछ शब्दों को संक्षिप्त कर देंगे। उदाहरण के लिए, सोडियम इस तरह दिखता है
इसे संक्षिप्त रूप में इस प्रकार लिख सकते हैं:
[Ne]
क्योंकि नियॉन का इलेक्ट्रॉन विन्यास
निम्नलिखित पर विचार करें... कार्बन जीवन की कुंजी है
कार्बन अपने इलेक्ट्रॉन विन्यास के कारण जीवन को बनाए रखने के लिए आवश्यक विभिन्न प्रकार के अणुओं को बनाने के लिए बेहतरीन है। इसका विन्यास कुछ इस तरह दिखता है
याद रखें कि आमतौर पर "p" कक्षक में छह इलेक्ट्रॉन रहते हैं और इसलिए कार्बन परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों के लिए, अन्य परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनों के साथ अपने कक्षकों को साझा करने के लिए बहुत अधिक जगह (4 स्थान) उपलब्ध है । यह कार्बन को अत्यंत बहुमुखी (versatile) बनाता है, क्योंकि यह विभिन्न चयापचय अभिक्रियाओं (metabolic reactions) के लिए हाइड्रोजन, ऑक्सीजन और अन्य आवश्यक परमाणुओं सहित विभिन्न प्रकार के परमाणुओं के साथ स्थिर बंध बना सकता है। इस प्रकार कार्बन विभिन्न प्रकार के जैव रासायनिक यौगिकों में पाया जाता है, जिसमें ऊर्जा स्रोत, संरचनात्मक निर्माण खंड और आवश्यक पाचन एंजाइम शामिल हैं। कार्बन के बहुमुखी होने का अर्थ है कि एक जीवित जीव कार्बन परमाणुओं को विभिन्न यौगिकों और उद्देश्यों के बीच आसानी से परिवर्तित करके "पुनः चक्रित (recycle)" कर सकता है।
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