මුහුම්කරණය, σ හා π බන්ධන හා යෝධ සහසංයුජ ව්‍යුහ
අතිච්ඡාදනය වන කාක්ෂික ලෙස සහසංයුජ බන්ධන, σ හා π බන්ධන, sp³, sp² හා sp මුහුම්කරණය (හා sp³d, sp³d²), බන්ධන දිග හා බන්ධන ශක්තිය සහ දියමන්ති, මිනිරන් හා සිලිකන් ඩයොක්සයිඩ්වල ව්‍යුහ.
අතිච්ඡාදනය වන කාක්ෂික ලෙස බන්ධන
සංයුජතා බන්ධන වාදයේ දී එක් පරමාණුවක කාක්ෂිකයක් තවත් පරමාණුවක කාක්ෂිකයක් සමඟ අතිච්ඡාදනය (Overlap) වී ඉලෙක්ට්‍රෝන දෙක (ප්‍රතිවිරුද්ධ භ්‍රමණ සහිත) න්‍යෂ්ටි අතර අතිච්ඡාදන ප්‍රදේශයේ පිහිටන විට සහසංයුජ බන්ධනයක් සෑදේ. අතිච්ඡාදනය වැඩි වන තරමට බන්ධනය ප්‍රබල ය.
- සිග්මා (σ) බන්ධනයක් සෑදෙන්නේ න්‍යෂ්ටි දෙක යා කරන රේඛාව දිගේ ඍජු (අග්‍රයෙන් අග්‍රයට) අතිච්ඡාදනයෙනි. ඉලෙක්ට්‍රෝන ඝනත්වය එම අක්ෂය මත සාන්ද්‍රගත වන අතර බන්ධනය ඒ වටා සමමිතික ය. එය s–s (H₂), s–p (H–Cl), p–p (Cl–Cl) හෝ මුහුම් කාක්ෂිකවලින් සෑදිය හැකි ය.
- පයි (π) බන්ධනයක් සෑදෙන්නේ සමාන්තර p කාක්ෂික දෙකක පාර්ශ්වික අතිච්ඡාදනයෙනි. ඉලෙක්ට්‍රෝන ඝනත්වය අක්ෂයට ඉහළින් හා පහළින් ප්‍රදේශ දෙකක පිහිටන අතර අක්ෂය මත කිසිවක් නැත. පාර්ශ්වික අතිච්ඡාදනය අඩු බැවින් π බන්ධනයක් σ බන්ධනයකට වඩා දුර්වල ය.
ඕනෑම පරමාණු දෙකක් අතර පළමු බන්ධනය සැම විට ම σ වේ. ද්විත්ව බන්ධනයක් σ එකක් හා π එකක් වේ; ත්‍රිත්ව බන්ධනයක් σ එකක් හා π දෙකක් වේ (π බන්ධන දෙක එකිනෙකට සෘජුකෝණීව පිහිටයි). ඒක බන්ධනයක් වටා භ්‍රමණය නිදහස් වුව ද ද්විත්ව බන්ධනයක් වටා භ්‍රමණය කිරීමෙන් π අතිච්ඡාදනය බිඳෙන බැවින් C=C වටා නිදහස් භ්‍රමණයක් නැත.
මුහුම්කරණය (Hybridisation) අවශ්‍ය වන්නේ ඇයි
භූමි අවස්ථාවේ කාබන් $1s^2,2s^2,2p^2$ වන අතර එයට ඇත්තේ අයුගල ඉලෙක්ට්‍රෝන දෙකක් පමණි. එසේ වුව ද එය CH₄ හි බන්ධන හතරක් සාදන අතර C–H බන්ධන හතර ම එකිනෙකට $109.5°$ කින් පිහිටි සර්වසම බන්ධන වේ. පැහැදිලි කිරීම:
- එක් 2s ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් හිස් 2p කාක්ෂිකයට උත්තේජනය (Promotion) වී අයුගල ඉලෙක්ට්‍රෝන හතරක් ($2s^1,2p^3$) ලැබේ; අමතර බන්ධන දෙකක් සෑදීමෙන් ශක්ති වියදම පියවේ;
- 2s හා 2p කාක්ෂික තුන මිශ්‍ර වී (මුහුම් වී) චතුස්තලයක ශීර්ෂ දෙසට යොමු වූ, එක් එක් ඉලෙක්ට්‍රෝනයක් සහිත සර්වසම sp³ මුහුම් කාක්ෂික හතරක් සාදයි.
මුහුම් කාක්ෂිකවලට එක් විශාල කොටසක් හා එක් කුඩා කොටසක් ඇත. ඒවායේ විශාල කොටස් වෙනත් කාක්ෂික සමඟ හොඳින් අතිච්ඡාදනය වන බැවින් ප්‍රබල σ බන්ධන සාදයි. මුහුම් කාක්ෂික ගණන සැම විට ම මිශ්‍ර කළ පරමාණුක කාක්ෂික ගණනට සමාන ය.
| පරමාණුව මත ඉලෙක්ට්‍රෝන යුගල | මුහුම්කරණය | ජ්‍යාමිතිය | මුහුම් නොවූ p කාක්ෂික | උදාහරණ |
|---|---|---|---|---|
| 2 | sp | රේඛීය, 180° | 2 | BeCl₂, C₂H₂ හි C, CO₂, HCN |
| 3 | sp² | තලීය ත්‍රිකෝණාකාර, 120° | 1 | BF₃, C₂H₄ හි C, CO₃²⁻ |
| 4 | sp³ | චතුස්තලීය, 109.5° | 0 | CH₄ හි C, NH₃ හි N, H₂O හි O |
| 5 | sp³d | ත්‍රිකෝණාකාර ද්විපිරමීඩාකාර | – | PCl₅ හි P |
| 6 | sp³d² | අෂ්ටතලීය | – | SF₆ හි S |
එකසර යුගල ද මුහුම් කාක්ෂික ගනී: NH₃ හි N හා H₂O හි O, sp³ කාක්ෂිකවල පිළිවෙළින් එකසර යුගල එකක් හා දෙකක් සහිතව sp³ මුහුම් වී ඇත.
එතීන් හා එතයින්හි σ හා π බන්ධන
එතීන් C₂H₄ හි සෑම කාබනයක් ම sp² වේ. එහි sp² කාක්ෂික තුන H පරමාණු දෙකකට (C sp² – H 1s) හා අනෙක් කාබනයට (C sp² – C sp²) σ බන්ධන සාදයි. සෑම කාබනයක ම මුහුම් නොවූ 2p කාක්ෂිකය තලයට ලම්බක ය; ඒවා දෙක පාර්ශ්විකව අතිච්ඡාදනය වී π බන්ධනය සාදයි. පරමාණු හය ම $120°$ ට ආසන්න කෝණ සහිතව එක තලයක පිහිටයි.
එතයින් C₂H₂ හි සෑම කාබනයක් ම sp වේ: H–C≡C–H රේඛීය ය. C–C σ බන්ධනය sp–sp වේ; සෑම කාබනයක ම ඉතිරි 2p කාක්ෂික දෙක සෘජුකෝණීව π බන්ධන දෙකක් සාදන අතර ඒවා C–C අක්ෂය වටා ඉලෙක්ට්‍රෝන ඝනත්ව සිලින්ඩරයක් ලෙස එකතු වේ.
උදාහරණය: ප්‍රොපීන්නයිට්‍රයිල් $\text{H}_2\text{C=CH–C}\equiv\text{N}$ හි σ හා π බන්ධන ගණන් කරන්න. ඒක බන්ධන: C–H 3 ක් හා C–C 1 ක්, සියල්ල σ (σ 4). C=C: σ 1 + π 1. C≡N: σ 1 + π 2. එකතුව: σ 6 හා π 3. වමේ සිට දකුණට කාබන් sp², sp² හා sp වන අතර N, sp වේ.
උදාහරණය: HCN හි බන්ධන සෑදීමට අතිච්ඡාදනය වන්නේ කුමන කාක්ෂික ද? H–C σ: H 1s හා C sp. C≡N σ: C sp හා N sp. π බන්ධන දෙක: C 2p හා N 2p (එක් එක් යුගලය සමාන්තර). N මත එකසර යුගලය sp කාක්ෂිකයක ඇත.
බන්ධන දිග හා බන්ධන ශක්තිය
| බන්ධනය | බන්ධන දිග / pm | සාමාන්‍ය බන්ධන ශක්තිය / kJ mol⁻¹ |
|---|---|---|
| C–C | 154 | 348 |
| C=C | 134 | 612 |
| C≡C | 120 | 838 |
| C–O | 143 | 360 |
| C=O | 120 | 743 |
හවුල් ඉලෙක්ට්‍රෝන යුගල වැඩි වන විට න්‍යෂ්ටි ළං කර ප්‍රබලව රඳවා ගනී: ඒක සිට ද්විත්ව හා ත්‍රිත්ව දක්වා බන්ධන දිග අඩු වන අතර බන්ධන ශක්තිය වැඩි වේ. π බන්ධනය σ බන්ධනයට වඩා දුර්වල බැවින් C=C බන්ධනයක් C–C මෙන් දෙගුණයකට වඩා අඩු ප්‍රබලතාවක් ඇති බව සලකන්න. පරමාණුවල ප්‍රමාණය සමඟ ද බන්ධන දිග වැඩි වේ: H–F 92 pm, H–Cl 127 pm, H–Br 141 pm, H–I 161 pm; එම පිළිවෙළට ම බන්ධන දුර්වල වේ.
යෝධ සහසංයුජ (ජාල) ව්‍යුහ
සමහර ඝන ද්‍රව්‍යවල සෑම පරමාණුවක් ම වෙන් වූ අණු නොමැතිව අඛණ්ඩ ජාලයක් ලෙස අසල්වැසියන්ට සහසංයුජව බැඳී ඇත.
| දියමන්ති | මිනිරන් | |
|---|---|---|
| C හි මුහුම්කරණය | sp³ | sp² |
| බන්ධනය | සෑම C එකක් ම තවත් 4 කට බැඳී ඇති චතුස්තලීය ත්‍රිමාණ ජාලය | සෑම C එකක් ම පැතලි ෂඩාස්‍රාකාර ස්තරවල තවත් 3 කට බැඳී ඇත; C එකකට විස්ථානගත ඉලෙක්ට්‍රෝන එකක් |
| C–C දුර | 154 pm | ස්තරයක් තුළ 142 pm; ස්තර 335 pm ඈතින් |
| ස්තර අතර | – | දුර්වල ලන්ඩන් බල |
| දෘඪතාව | වඩාත් ම දෘඪ ස්වාභාවික ද්‍රව්‍යය | මෘදු, ලිස්සන සුළු (ස්තර ලිස්සයි): ලිහිසි ද්‍රව්‍යයක්, පැන්සල් "ඊයම්" |
| විද්‍යුත් සන්නායකතාව | නැත (සියලු ඉලෙක්ට්‍රෝන σ බන්ධනවල) | හොඳ ය, ස්තර දිගේ (විස්ථානගත π ඉලෙක්ට්‍රෝන) |
| ද්‍රවාංකය | ඉතා ඉහළ (3500 °C ට වැඩි) | ඉතා ඉහළ (ආසන්න වශයෙන් 3650 °C දී ඌර්ධ්වපාතනය) |
දියමන්ති හා මිනිරන් කාබන්හි බහුරූප (Allotropes) වේ: එකම භෞතික අවස්ථාවේ ඇති එකම මූලද්‍රව්‍යයේ වෙනස් ව්‍යුහ ආකාර. කාමර උෂ්ණත්වයේ හා පීඩනයේ දී තාපගතිකව වඩා ස්ථායී ආකාරය මිනිරන් ය.
සිලිකන් ඩයොක්සයිඩ් (ක්වාට්ස්) ද යෝධ සහසංයුජ ව්‍යුහයකි: සෑම Si එකක් ම O පරමාණු හතරකට චතුස්තලීයව ද සෑම O එකක් ම Si දෙකකට ද බැඳී ඇත. SiO₂ ආසන්න වශයෙන් $1700\ ^\circ\text{C}$ දී ද්‍රවවන දෘඪ ඝනයක් වන අතර කුඩා වෙන් වූ O=C=O අණුවලින් සෑදුණු CO₂ වායුවක් වන්නේ එබැවිනි.
Exam tip: ඕනෑම පරමාණුවක මුහුම්කරණය තීරණය කිරීමට එය සාදන σ බන්ධන ගණන හා එහි එකසර යුගල ගණන එකතු කරන්න (π බන්ධන ගණන් නොකෙරේ): 4 → sp³, 3 → sp², 2 → sp. උදාහරණයක් ලෙස ප්‍රොපනෝන්හි C=O හි O ට σ බන්ධනයක් හා එකසර යුගල දෙකක් ඇති බැවින් එය sp² වේ.