સંકરણ (hybridization) (રસાયણશાસ્ત્ર)

સંકરણ (hybridization) (રસાયણશાસ્ત્ર) : પારમાણ્વિક (atomic) કક્ષકો(orbitals)ના સંમિશ્રણ દ્વારા એકસરખી આબંધક (bonding) કક્ષકો બનવાની ઘટના. પારમાણ્વિક કક્ષકોના રૈખિક સંયોગ(linear combination)માંથી આણ્વીય (molecular) કક્ષકોની ઉત્પત્તિ (formation) વડે કેટલાક અણુઓમાંના બંધ-કોણ(bond angle)ને જ સમજાવી શકાય છે; પણ ઘણા કિસ્સાઓમાં, ખાસ કરીને કાર્બનની બાબતમાં તે નિષ્ફળ નીવડે છે.

બે પરમાણુઓ વચ્ચે સહસંયોજક બંધ (covalent bond) બનવા માટે બંને પરમાણુઓ એવી રીતે ગોઠવાવા જોઈએ કે એકની કક્ષક બીજાની કક્ષક ઉપર અતિવ્યાપ (overlap) પામે અને બંને પરમાણુઓ એક એક સંયોજકતા-ઇલેક્ટ્રૉન (valence electrons) ધરાવતા હોય. આવું બને ત્યારે બે પારમાણ્વિક કક્ષકો એકબીજા સાથે ભળી જઈ બંને ઇલેક્ટ્રૉન દ્વારા રોકાયેલી હોય તેવી એક આબંધ-કક્ષક (bond orbital) બને છે. આ માટે બંને ઇલેક્ટ્રૉન એકબીજાથી વિરુદ્ધ પ્રચક્રણ (spin) ધરાવતા હોવા જોઈએ.

પાઉલિંગે સૂચવ્યું કે કવચ(shell)માંના બધા s અને p કક્ષકો આબંધન (bonding) માટે જોઈતા હોય તો તેમને પ્રથમ મિશ્ર કરીને સંકર (hybrid) પારમાણ્વિક-કક્ષકો બનાવવાથી આબંધન માટે જોઈતો મહત્તમ અતિવ્યાપ મળી શકે.

હવે જો બેરિલિયમ ક્લોરાઇડ (BeCl2) જેવા સંયોજનને તપાસવામાં આવે તો બેરિલિયમ (Be) પરમાણુ 1s22s2 ઇલેક્ટ્રૉનીય વિન્યાસ ધરાવતો હોઈ તે કોઈ અયુગ્મિત (unpaired) ઇલેક્ટ્રૉન ધરાવતો નથી અને છતાં તે બે ક્લોરિન પરમાણુ સાથે સંયોજાય છે. આથી બેરિલિયમ પરમાણુની દ્વિસંયોજકતા સમજાવવા એમ તર્ક કરી શકાય કે સૌપ્રથમ તેમાંના બે 2s ઇલેક્ટ્રૉન પૈકીનો એક ખાલી એવી 2p કક્ષકમાં જાય છે.

આ રીતે બે અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન પ્રાપ્ત થવાથી Be-પરમાણુ બે ક્લોરિન પરમાણુ સાથે સંયોજાઈ શકે; પણ તેમાં એક બંધ એક પ્રકારનો (s ઇલેક્ટ્રૉન ઉપયોગમાં આવવાથી) અને બીજો બંધ બીજા પ્રકારનો (p ઇલેક્ટ્રૉનને કારણે) ઉદ્ભવે; પરંતુ BeCl2માંના બંને બંધ એકસરખા હોય છે. આ સમજાવવા કક્ષકોનું સંકરણ (hybridization) કરવામાં આવે છે :

એક s અને એક p કક્ષકોના વિવિધ સંયોગ (combinations) ગાણિતિક રીતે મૂલવવામાં આવે છે અને સૌથી વધુ દિષ્ટ (directed) લક્ષણ ધરાવતા સંમિશ્રિત (mixed) અથવા સંકર (hybrid) કક્ષકો મેળવવામાં આવે છે. પારમાણ્વિક કક્ષક આબંધ(bond)ની દિશામાં જેમ વધુ સંકેન્દ્રિત હોય તેમ અતિવ્યાપ વધુ થશે અને બળવત્તર (stronger) આબંધ બનશે. આમ (અ) s અને p કક્ષકો કરતાં સર્વોત્તમ સંકર કક્ષક પ્રબળપણે દિષ્ટ હશે; (બ) બંને કક્ષકો એકબીજાની સમતુલ્ય (equivalent) હશે અને (ક) આ બંને કક્ષકો એકબીજાથી વધુમાં વધુ દૂર રહે તે માટે તેઓ એકબીજાથી બરાબર વિરુદ્ધ દિશામાં (180° સે.) આવેલી હશે (આકૃતિ 1).

આ પ્રકારની સંકર કક્ષકો એક s અને એક p કક્ષકના સંમિશ્રણથી ઉદ્ભવતી હોવાથી તેમને sp સંકર કક્ષકો અને ઘટનાને sp સંકરણ કહે છે. સંકર કક્ષકો દિષ્ટ લક્ષણ એટલા માટે ધરાવે છે કે p કક્ષકના બે પિંડો (lobes) વિરુદ્ધ કલા(phase)ના હોઈ s કક્ષક સાથે જોડાય ત્યારે નાભિકની એક બાજુ સરવાળો અને બીજી બાજુ બાદબાકી થાય છે તેમ ગણી શકાય (આકૃતિ 2). અનુકૂળતા ખાતર નાના પશ્ચપિંડ(back lobe)ને અવગણી અગ્રપિંડને ગોળા તરીકે લેવામાં આવ્યો છે.

sp2 સંકરણ : sp ઉપરાંત સંકરણના અન્ય પ્રકાર પણ હોઈ શકે છે. બોરૉન પરમાણુનો ઇલેક્ટ્રૉનીય વિન્યાસ નીચે પ્રમાણે છે :

બોરૉન ટ્રાઇફ્લોરાઇડ જેવા સંયોજનમાં બોરૉનની ત્રિ-સંયોજકતા માટે ત્રણ અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન હોવા જોઈએ. આ માટે 2s પૈકીના એક ઇલેક્ટ્રૉનને બઢતી આપી 2p કક્ષકમાં લઈ જવામાં આવે છે.

આમ સંકરણથી એકસરખી અને પ્રબળપણે દિષ્ટ એવી ત્રણ સંકર કક્ષકો મળે છે. આ સંકર કક્ષકોને sp2 કક્ષકો કહે છે; કારણ કે તે એક s અને બે p કક્ષકોના મિશ્રણથી ઉદ્ભવતી ગણવામાં આવે છે. તેઓ પારમાણ્વિક નાભિક સહિત, એક સમતલ(plane)માં આવેલી હશે અને સમબાજુ (equilateral) ત્રિકોણના ત્રણ ખૂણાઓ તરફ દોરાયેલી હશે. આથી તેમની વચ્ચેનો ખૂણો 120°નો હશે (આકૃતિ 3).

sp3 સંકરણ : કાર્બન પરમાણુનો ઇલેક્ટ્રૉનીય વિન્યાસ

1s2 2s2 2p2 અથવા 1s2 2s2    છે.

તેમાં સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉનના પિંડો એકબીજાને લંબ હોય તેવી રીતે આવેલા હોઈ કાર્બન દ્વિસંયોજક હોવાનું માની શકાય, પણ મિથેન (CH4) જેવા અણુમાં તેની સંયોજકતા ચાર હોવાનું માલૂમ પડે છે. ચાર અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રૉન મેળવવા માટે બે 2s ઇલેક્ટ્રૉન પૈકી એકને બાકીની ખાલી 2p કક્ષકમાં લઈ જઈ શકાય.

આગળ જણાવ્યા પ્રમાણે સૌથી વધુ પ્રબળપણે દિષ્ટ કક્ષકો એ સંકર કક્ષકો હશે. અહીં એક s અને ત્રણ p કક્ષકોનું સંમિશ્રણ થઈ ચાર sp3 કક્ષકો બનશે.

કક્ષકનો લગભગ બધો ભાગ નાભિકની એક તરફ સંકેન્દ્રિત થયેલો હશે. જોકે તેની વિરુદ્ધ દિશામાં પુચ્છ (tail) જેવો ભાગ પણ હશે. કક્ષકનું આવું વિતરણ ભારે (+) બાજુવાળા ભાગ તરફ અક્ષ ઉપર અથવા તેની પાસે આવેલા અન્ય પરમાણુના કક્ષકો સાથે s અથવા p કક્ષકો વડે થાય તેના કરતાં વધુ સારી રીતે અતિવ્યાપ્ત થઈ શકે છે. આ અતિવ્યાપ્તિ રાસાયણિક આબંધમાં પરિણમે છે. અહીં પણ અગ્રપિંડને ગોળાકાર કલ્પી ચાર sp3 કક્ષકોને એકબીજાથી જેટલી દૂર રહી શકે તેટલી રાખવામાં આવે તો તેઓ વાન્ટ હૉફની પરિકલ્પના મુજબ એક નિયમિત ચતુષ્ફલક(tetrahedron)ના ચાર ખૂણા તરફ દોરાયેલી હશે અને તેમની વચ્ચેનો કોણ 109° 28^ (~ 109.5°) થશે. આમ તે ચાર ચતુષ્ફલકીય (tetrahedral) આબંધ આપશે.

સંકરણના અન્ય પ્રકાર : સંકરણના અન્ય પ્રકારો પણ જોવા મળે છે.  માં d3s; Pt તથા Niમાં dsp2 સંકરણ થાય છે અને તેઓ સમચોરસ સમતલીય (square planar) સંરચના ધરાવે છે. PCl3માં dsp3 સંકરણ થતાં ત્રિસમનતાક્ષ અથવા ત્રિફલકીય (trigonal) પિરામિડી (pyramid) સંરચના મળે છે. d2sp3 સંકરણ , SF6, માં જોવા મળે છે અને સંરચના અષ્ટફલક (octahedron) જેવી હોય છે.

સંકરણ અને અણુની ભૂમિતિ : સિગ્મા (s) આબંધ બનવા માટે વપરાતી સંકર કક્ષક અથવા અસમભાજિત (unshared) ઇલેક્ટ્રૉન યુગ્મ ધરાવતા આબંધને (s + l2p)ના સંકર તરીકે લક્ષણીકૃત (characterized) કરી શકાય [lને સંમિશ્રણ (mixing) ગુણાંક જ્યારે l2ને સંકરણ નિર્દેશાંક (સૂચકાંક, index) કહે છે.]

દરેક કક્ષકમાં s લક્ષણની ટકાવારી =

100 % s લાક્ષણિકતા 100 %(એક મૂળ s કક્ષક)ની સમતુલ્ય થવી જોઈતી હોવાથી

[જ્યાં n ઉદ્ભવતી કક્ષકોની સંખ્યા (ચાર સુધી) છે].

ચાર સમતુલ્ય વિસ્થાપકો માટે :

n = 4 કક્ષકો; sp3 : λ = અથવા 25 %

        s લાક્ષણિકતા પ્રતિ કક્ષક

n = 3 કક્ષકો, sp2 : λ = અથવા 33.3 % s લાક્ષણિકતા

n = 2 કક્ષકો, sp : λ = 1 અથવા 50 % s લાક્ષણિકતા

બે કક્ષકો 1 અને 2 (સંમિશ્રણ ગુણાંક અનુક્રમે λ1 અને λ2 માટે) વચ્ચેનો ખૂણો θ12 નીચે પ્રમાણે સંબંધિત હોય છે :

1 + λ1λ2 cos θ12 = 0

l ગુણાંક ધરાવતી બે સમતુલ્ય કક્ષકો વચ્ચેના કોણ માટે :

1 + λ2 cos θ = 0

આથી,  sp3 : cos θ =  અથવા θ = 109.5°

        sp2 : cos θ =  અથવા θ = 120°

        sp : cos θ = 1 અથવા θ = 180°

યુ. સી. પાંડે