विद्यालय रसायन विज्ञान — कक्षा 1 से 12 · Grades 1–12

24लुइस संरचनाएँ और अणुओं की आकृति

कार्बन डाइऑक्साइड का अणु सीधा है; पानी का अणु मुड़ा हुआ। आकृति का यही एक अंतर उन कारणों में से एक है जिनसे पानी, जिसके अणु कार्बन डाइऑक्साइड के अणुओं से हल्के हैं, कमरे के ताप पर द्रव है जबकि कार्बन डाइऑक्साइड गैस। अणु में परमाणु साझा इलेक्ट्रॉनों से जुड़े रहते हैं, और इलेक्ट्रॉन जिस ढंग से साझा होते हैं, वही आकृति तय करता है। यह अध्याय साझा इलेक्ट्रॉनों को बनाता है, और उनसे आकृति का अनुमान लगाता है।

पहले से ज्ञात

संयोजकता इलेक्ट्रॉन बाहरी कोश के इलेक्ट्रॉन हैं; परमाणु किसी उत्कृष्ट गैस का विन्यास पाने की प्रवृत्ति रखते हैं: बाहरी कोश में आठ इलेक्ट्रॉन (अष्टक नियम), या हाइड्रोजन के लिए दो (द्विक नियम) (अध्याय 23)। आण्विक मॉडल परमाणुओं को गेंदों और आबंधों को छड़ों के रूप में दिखाते हैं (अध्याय 11)।

24.1 सहसंयोजी आबंध

परिभाषा 24.1 (सहसंयोजी आबंध)

सहसंयोजी आबंध दो परमाणुओं द्वारा साझा किया गया इलेक्ट्रॉनों का एक युग्म है; आम तौर पर हर परमाणु युग्म का एक इलेक्ट्रॉन देता है। दोनों परमाणु साझा युग्म को अपने बाहरी कोश में गिनते हैं, जिससे दोनों द्विक या अष्टक पा लेते हैं।

परिभाषा 24.2 (आबंधी युग्म और एकाकी युग्म)

अणु में हर परमाणु के संयोजकता इलेक्ट्रॉन युग्मों में बँटे होते हैं। आबंधी युग्म दो परमाणुओं के बीच साझा होता है और एक सहसंयोजी आबंध बनाता है; एकाकी युग्म एक ही परमाणु का होता है और किसी आबंध में भाग नहीं लेता।

प्रतिज्ञप्ति 24.3 (परमाणु कितने आबंध बनाता है)

परमाणु उतने सहसंयोजी आबंध बनाता है जितने इलेक्ट्रॉनों की उसे अपना द्विक या अष्टक पूरा करने के लिए कमी है:

परमाणु	संयोजकता इलेक्ट्रॉन	आबंध	एकाकी युग्म	उदाहरण
H	1	1	0	$\ce{H2}$
C	4	4	0	$\ce{CH4}$
N	5	3	1	$\ce{NH3}$
O	6	2	2	$\ce{H2O}$
Cl	7	1	3	$\ce{HCl}$

24.2 लुइस संरचनाएँ

परिभाषा 24.4 (लुइस संरचना)

किसी अणु की लुइस संरचना उसके परमाणुओं को उनके प्रतीकों से, हर आबंधी युग्म को दो परमाणुओं के बीच एक रेखा से, और हर एकाकी युग्म को उसके परमाणु के पास दो बिंदुओं से दिखाती है।

परिभाषा 24.5 (द्विआबंध और त्रिआबंध)

दो परमाणु इलेक्ट्रॉनों के दो युग्म साझा कर सकते हैं, जो द्विआबंध है और दो रेखाओं से बनाया जाता है, या तीन युग्म, जो त्रिआबंध है और तीन रेखाओं से बनाया जाता है।

विधि 24.6 (लुइस संरचना बनाना)

सभी परमाणुओं के संयोजकता इलेक्ट्रॉनों को जोड़िए, और युग्मों की संख्या पाने के लिए आधा कीजिए।
परमाणुओं को एकल आबंधों से जोड़िए (एक आबंध बनाने वाली हाइड्रोजन हमेशा बाहर होती है; कार्बन आम तौर पर केंद्र में होता है)।
बचे हुए युग्मों को एकाकी युग्मों के रूप में रखिए, पहले बाहरी परमाणुओं पर, ताकि उनके अष्टक पूरे हों।
अगर किसी परमाणु का अष्टक अब भी अधूरा है, तो किसी पड़ोसी के एकाकी युग्म को दूसरे (या तीसरे) साझा युग्म में बदलिए।
जाँचिए: हर हाइड्रोजन के पास 2 इलेक्ट्रॉन हों, हर दूसरे परमाणु के पास 8, और सारे युग्म इस्तेमाल हो चुके हों।

उदाहरण 24.7 (कार्बन डाइऑक्साइड)

$\ce{CO2}$ : $4 + 2 \times 6 = 16$ संयोजकता इलेक्ट्रॉन, 8 युग्म। एकल आबंध $\ce{O-C-O}$ 2 युग्म लेते हैं; ऑक्सीजनों पर 6 एकाकी युग्म उन्हें पूरा कर देते हैं, पर तब कार्बन के पास केवल 4 इलेक्ट्रॉन रहते हैं। हर ऑक्सीजन के एक एकाकी युग्म को साझा युग्म में बदलने से दो द्विआबंध बनते हैं: अब हर परमाणु के पास अष्टक है।

ग्यारह अणुओं की लुइस संरचनाएँ। हाइड्रोजन को छोड़कर हर परमाणु चार युग्मों (आबंधों और एकाकी युग्मों) से घिरा है: एक अष्टक।

24.3 अणुओं की आकृति

प्रतिज्ञप्ति 24.8 (इलेक्ट्रॉन युग्म एक-दूसरे से यथासंभव दूर रहते हैं)

केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के समूह — हर एकल, द्वि या त्रि आबंध, और हर एकाकी युग्म — एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं और यथासंभव दूर जाकर टिकते हैं। इससे अणु की आकृति निकलती है:

केंद्र के चारों ओर समूह	जिनमें एकाकी युग्म	आकृति	उदाहरण
2	0	रैखिक, कोण $180{}^{\circ}$	$\ce{CO2}$ , $\ce{HCN}$
3	0	समतल त्रिकोण, कोण $120{}^{\circ}$	$\ce{CH2O}$ , $\ce{C2H4}$
4	0	चतुष्फलक, कोण $109.5{}^{\circ}$	$\ce{CH4}$
4	1	पिरामिड	$\ce{NH3}$
4	2	मुड़ी हुई	$\ce{H2O}$

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

टिप्पणी 24.9 (यह कहाँ से आता है)

यह नियम एक मॉडल है, और छोटे अणुओं के लिए अद्भुत रूप से अच्छा काम करता है; विश्वविद्यालय के प्रथम वर्ष के खंड में इसे सटीक बनाया गया है, और आंशिक रूप से समझाया गया है। एकाकी युग्म आबंधी युग्मों से थोड़ी ज़्यादा जगह घेरते हैं: अमोनिया ( $106.7{}^{\circ}$ ) और पानी ( $104.5{}^{\circ}$ ) का कोण मेथेन के $109.5{}^{\circ}$ से थोड़ा छोटा है।

चार अणुओं की आकृतियाँ (एकाकी युग्म छायांकित पालियों के रूप में)। मेथेन चतुष्फलक है, अमोनिया पिरामिड, पानी मुड़ा हुआ, कार्बन डाइऑक्साइड सीधा।

आपस में बँधे चार गुब्बारे एक-दूसरे को यथासंभव दूर धकेलते हैं; त्रिविम में वे एक चतुष्फलक के कोनों की ओर इशारा करते हैं, ठीक कार्बन परमाणु के चारों ओर के चार इलेक्ट्रॉन युग्मों की तरह।

24.4 अणुओं को त्रिविम रूप में बनाना

संकेतन 24.10 (फन्नियाँ और डैश)

किसी अणु को त्रिविम रूप में सपाट कागज़ पर बनाने के लिए, कागज़ के तल में स्थित आबंध एक सादी रेखा होता है, पाठक की ओर इशारा करता आबंध एक ठोस फन्नी, और दूर की ओर इशारा करता आबंध एक डैश वाली फन्नी। तब मेथेन नीचे की तरह बनाया जाता है: दो आबंध तल में, एक पाठक की ओर और एक पाठक से दूर।

24.5 अभ्यास

अभ्यास 24.1 ★

सहसंयोजी आबंध क्या है? एकाकी युग्म क्या है?

हल

हल — अभ्यास 24.1.

दो परमाणुओं द्वारा साझा किया गया इलेक्ट्रॉनों का एक युग्म। संयोजकता इलेक्ट्रॉनों का ऐसा युग्म जो केवल एक परमाणु का है, साझा नहीं।

अभ्यास 24.2 ★

हाइड्रोजन, कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन आम तौर पर कितने सहसंयोजी आबंध बनाते हैं? अष्टक और द्विक नियमों से समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 24.2.

H: 1 (अपने द्विक से एक इलेक्ट्रॉन कम)। C: 4, N: 3, O: 2 (अष्टक से 4, 3 और 2 इलेक्ट्रॉन कम)।

अभ्यास 24.3 ★

हाइड्रोजन क्लोराइड, $\ce{HCl}$ , की लुइस संरचना बनाइए, और क्लोरीन के चारों ओर के इलेक्ट्रॉन गिनिए।

हल

हल — अभ्यास 24.3.

: क्लोरीन के पास साझा युग्म और तीन एकाकी युग्म हैं, 8 इलेक्ट्रॉन।

अभ्यास 24.4 ★

अणु $\ce{NH3}$ में कुल कितने संयोजकता इलेक्ट्रॉन हैं? कितने युग्म?

हल

हल — अभ्यास 24.4.

$5 + 3 \times 1 = 8$ इलेक्ट्रॉन, 4 युग्म (तीन आबंध, एक एकाकी युग्म)।

अभ्यास 24.5 ★

$\ce{CH4}$ , $\ce{NH3}$ , $\ce{H2O}$ और $\ce{CO2}$ की आकृतियाँ बताइए।

हल

हल — अभ्यास 24.5.

$\ce{CH4}$ : चतुष्फलक। $\ce{NH3}$ : पिरामिड। $\ce{H2O}$ : मुड़ा हुआ। $\ce{CO2}$ : रैखिक।

अभ्यास 24.6 ★★

हाइड्रोजन सल्फ़ाइड, $\ce{H2S}$ , की लुइस संरचना बनाइए (सल्फ़र ऑक्सीजन वाले समूह में है), और उसकी आकृति का अनुमान लगाइए।

हल

हल — अभ्यास 24.6.

: पानी की तरह, सल्फ़र के चारों ओर चार समूह, जिनमें दो एकाकी युग्म: मुड़ा हुआ।

अभ्यास 24.7 ★★

विधि का चरण-दर-चरण पालन करते हुए नाइट्रोजन, $\ce{N2}$ , की लुइस संरचना बनाइए।

हल

हल — अभ्यास 24.7.

$2 \times 5 = 10$ इलेक्ट्रॉन, 5 युग्म। एक एकल आबंध और 4 एकाकी युग्म हर नाइट्रोजन के पास 6 इलेक्ट्रॉन छोड़ते हैं; दो एकाकी युग्मों को साझा युग्मों में बदलने से एक त्रिआबंध और हर परमाणु पर एक एकाकी युग्म मिलता है: ।

अभ्यास 24.8 ★★

मेथेनॉल, $\ce{CH3OH}$ , की लुइस संरचना बनाइए, और कार्बन के चारों ओर तथा ऑक्सीजन के चारों ओर की आकृति बताइए।

हल

हल — अभ्यास 24.8.

: कार्बन के चारों ओर चार आबंध, चतुष्फलकीय; ऑक्सीजन के चारों ओर दो आबंध और दो एकाकी युग्म, मुड़ा हुआ।

अभ्यास 24.9 ★★

$\ce{CO2}$ रैखिक और $\ce{H2O}$ मुड़ा हुआ क्यों है, हालाँकि दोनों में एक केंद्रीय परमाणु दो दूसरों से जुड़ा है?

हल

हल — अभ्यास 24.9.

$\ce{CO2}$ में कार्बन के पास दो समूह (दो द्विआबंध) हैं और कोई एकाकी युग्म नहीं: वे विपरीत दिशाओं में होते हैं। $\ce{H2O}$ में ऑक्सीजन के पास चार समूह (दो आबंध, दो एकाकी युग्म) चतुष्फलकीय व्यवस्था में हैं: दोनों आबंध एक कोण बनाते हैं।

अभ्यास 24.10 ★★

एथीन, $\ce{C2H4}$ , की लुइस संरचना बनाइए, और हर कार्बन परमाणु के चारों ओर की आकृति बताइए।

हल

हल — अभ्यास 24.10.

: हर कार्बन के चारों ओर तीन समूह (एक द्विआबंध, दो एकल आबंध): समतल त्रिकोण, कोण लगभग $120{}^{\circ}$ ।

अभ्यास 24.11 ★★

टेट्राक्लोरोमेथेन, $\ce{CCl4}$ , की लुइस संरचना बनाइए, और उसकी आकृति का अनुमान लगाइए।

हल

हल — अभ्यास 24.11.

केंद्र में कार्बन, क्लोरीन परमाणुओं से चार एकल आबंध, हर क्लोरीन पर तीन एकाकी युग्म: कार्बन के चारों ओर चार समूह, एक चतुष्फलक।

अभ्यास 24.12 ★★★

दो अणुओं का सूत्र $\ce{C2H6O}$ है। हर एक के लिए एक लुइस संरचना बनाइए (एक में O–H आबंध है, दूसरे में C–O–C श्रृंखला)।

हल

हल — अभ्यास 24.12.

एथेनॉल, , और मेथॉक्सीमेथेन, ।

अभ्यास 24.13 ★★★

एकाकी युग्मों की मदद से समझाइए कि अमोनिया का कोण ( $106.7{}^{\circ}$ ) मेथेन ( $109.5{}^{\circ}$ ) से छोटा क्यों है, और पानी का ( $104.5{}^{\circ}$ ) उससे भी छोटा क्यों।

हल

हल — अभ्यास 24.13.

एकाकी युग्म आबंधी युग्म से थोड़ी ज़्यादा जगह घेरता है और आबंधों को पास-पास धकेल देता है। अमोनिया में एक एकाकी युग्म है, पानी में दो: मेथेन से अमोनिया और फिर पानी तक कोण घटता जाता है।

अभ्यास 24.14 ★★★

हाइड्रोजन सायनाइड, $\ce{HCN}$ , और मेथेनैल, $\ce{CH2O}$ , की लुइस संरचनाएँ बनाइए, और उनकी आकृतियाँ बताइए।

हल

हल — अभ्यास 24.14.

: कार्बन के चारों ओर दो समूह, रैखिक। : कार्बन के चारों ओर तीन समूह, समतल त्रिकोण।

अभ्यास 24.15 ★★★

ओज़ोन, $\ce{O3}$ , तीन ऑक्सीजन परमाणुओं की एक श्रृंखला है। उसके संयोजकता युग्म गिनिए और ऐसी लुइस संरचना बनाइए जिसमें हर ऑक्सीजन के पास अष्टक हो (एक द्विआबंध, एक एकल आबंध)। अनुमान लगाइए कि अणु रैखिक है या मुड़ा हुआ।

हल

हल — अभ्यास 24.15.

$3 \times 6 = 18$ इलेक्ट्रॉन, 9 युग्म: । केंद्रीय ऑक्सीजन के पास तीन समूह हैं (एक द्विआबंध, एक एकल आबंध, एक एकाकी युग्म): अणु मुड़ा हुआ है।

24.6 समस्या: घन के भीतर एक अणु

समस्या 24.1

सप्ताहांत समस्या — आण्विक मॉडल किट की कार्बन गेंदों की रूपरेखा: छेद किस कोण पर किए जाएँ?

एक कंपनी आण्विक मॉडल किट बनाती है। काली कार्बन गेंदों में चार छेद होने चाहिए, ताकि मेथेन, एथेन और कार्बन के दूसरे अणु सही आकृति में बनें। इंजीनियर एक युक्ति अपनाता है: एक समचतुष्फलक एक घन के भीतर समा जाता है, उसके चार कोने घन के चार कोनों पर होते हैं, और कोई भी दो एक ही किनारे पर नहीं होते।

भाग I — लुइस संरचनाएँ।

मेथेन $\ce{CH4}$ , अमोनिया $\ce{NH3}$ और पानी $\ce{H2O}$ की लुइस संरचनाएँ बनाइए।
हर एक में केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के कितने समूह हैं?
उनमें से कितने एकाकी युग्म हैं?
कार्बन गेंद को चार छेदों की ज़रूरत क्यों है, और (पानी के लिए) ऑक्सीजन गेंद को केवल दो की?
एथेन, $\ce{C2H6}$ , के मॉडल में दो कार्बन गेंदें लगती हैं। उसकी लुइस संरचना बनाइए। दोनों कार्बन गेंदों को कितनी छड़ें जोड़ती हैं, और कितनी हाइड्रोजन गेंदें चाहिए?

भाग II — आकृतियाँ।

तीनों अणुओं में से हर एक की आकृति बताइए।
मापे गए कोण अमोनिया में $106.7{}^{\circ}$ और पानी में $104.5{}^{\circ}$ हैं। समझाइए कि ये मेथेन के कोण से छोटे क्यों हैं।
अगर किट को सही कोण दिखाना है, तो पानी के लिए ऑक्सीजन गेंद केवल दो छेद ख़ाली छोड़ी गई कार्बन गेंद क्यों नहीं हो सकती?
कार्बन डाइऑक्साइड में कार्बन परमाणु दो द्विआबंध बनाता है। मॉडल में उनके बीच कौन-सा कोण होना चाहिए?

भाग III — घन। भुजा $a$ वाला एक घन लीजिए। कार्बन परमाणु उसके केंद्र पर है; चारों हाइड्रोजन परमाणु घन के चार कोनों पर हैं, कोई भी दो एक ही किनारे पर नहीं।

दिखाइए कि इनमें से कोई भी दो हाइड्रोजन परमाणु घन के किसी फलक के विकर्ण के दोनों सिरों पर हैं। पाइथागोरस प्रमेय की मदद से उनके बीच की दूरी $a$ के पदों में निकालिए।
पूरे घन का विकर्ण (एक कोने से सामने के कोने तक) $a\sqrt{3}$ लंबा है। कार्बन परमाणु से हाइड्रोजन परमाणु तक की दूरी निकालिए।
किसी मॉडल में $a = 1\,\mathrm{cm}$ लीजिए: दोनों दूरियाँ दो दशमलव स्थानों तक सेंटीमीटर में बताइए।
चारों C–H दूरियाँ बराबर क्यों हैं?

भाग IV — कोण। कार्बन परमाणु C और दो हाइड्रोजन परमाणु H $_1$ , H $_2$ एक समद्विबाहु त्रिभुज बनाते हैं। मान लीजिए M, H $_1$ H $_2$ का मध्यबिंदु है।

समझाइए कि त्रिभुज C M H $_1$ में M पर समकोण क्यों है।
इस समकोण त्रिभुज में कोण $\widehat{\text{M\,C\,H}_1}$ की ज्या निकालिए, जो कोण H–C–H का आधा है।
अर्धकोण निकालिए, फिर कोण H–C–H, एक दशमलव स्थान तक।
इस अध्याय की सारणी वाले कोण से तुलना कीजिए।
बताइए कि कार्बन गेंद के छेद किस कोण पर किए जाने चाहिए।

हल

हल — समस्या 24.1.

1. , , ।

2. हर एक में चार समूह।

3. मेथेन में कोई नहीं, अमोनिया में एक, पानी में दो।

4. कार्बन चार आबंध बनाता है; ऑक्सीजन दो (उसके बाकी दो समूह एकाकी युग्म हैं, जिन्हें किट छड़ों से नहीं दिखाती)।

5. : एक छड़ दोनों कार्बन गेंदों को जोड़ती है, और छह हाइड्रोजन गेंदें चाहिए।

6. चतुष्फलक, पिरामिड, मुड़ा हुआ।

7. एकाकी युग्म आबंधी युग्मों से ज़्यादा जगह घेरते हैं और आबंधों को पास-पास दबा देते हैं; दो एकाकी युग्मों वाले पानी का कोण सबसे छोटा है।

8. कार्बन गेंद के छेद $109.5{}^{\circ}$ बनाते हैं; पानी का वास्तविक कोण $104.5{}^{\circ}$ है: ऑक्सीजन गेंद को $104.5{}^{\circ}$ पर अपने दो अलग छेद चाहिए।

9. $180{}^{\circ}$ : कार्बन के चारों ओर के दो समूह विपरीत दिशाओं में होते हैं, और अणु रैखिक है।

10. एक ही किनारे पर न होने वाले दो कोने किसी एक फलक के आमने-सामने के कोने हैं: उनकी दूरी फलक का विकर्ण है, $\sqrt{a^2 + a^2} = a\sqrt{2}$ ।

11. केंद्र घन के किसी विकर्ण के आधे रास्ते पर है: $a\sqrt{3}/2$ ।

12. H–H: $\sqrt{2} \approx 1.41\,\mathrm{cm}$ ; C–H: $\sqrt{3}/2 \approx 0.87\,\mathrm{cm}$ ।

13. हर हाइड्रोजन घन के एक कोने पर है और कार्बन उसके केंद्र पर: हर कोना केंद्र से समान दूरी पर है।

14. त्रिभुज C H $_1$ H $_2$ समद्विबाहु है (C H $_1$ = C H $_2$ ); उसके शीर्ष से आधार के मध्यबिंदु तक की रेखा आधार पर लंब होती है।

15. $\sin \widehat{\text{M\,C\,H}_1} = \dfrac{\text{M\,H}_1}{\text{C\,H}_1} = \dfrac{a\sqrt{2}/2}{a\sqrt{3}/2} = \sqrt{2/3} \approx 0.816$ ।

16. अर्धकोण $\approx 54.7{}^{\circ}$ ; कोण H–C–H $\approx 2 \times 54.7 = 109.5{}^{\circ}$ ।

17. यह सारणी वाले चतुष्फलक का $109.5{}^{\circ}$ है।

18. छेद एक-दूसरे से $109.5{}^{\circ}$ पर किए जाने चाहिए।

इस अध्याय में परिभाषित शब्द

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