હિલિયમનું અણુ માળખું
હિલિયમ (He) આવર્ત કોષ્ટકમાં બીજું તત્વ છે, જે એક ઉમદા વાયુ (નોબલ ગેસ) અને હાઇડ્રોજન પછીનું બીજું સૌથી હલકું તત્વ તરીકે ઓળખાય છે. તે ફુગ્ગા ભરવાથી લઈને ભારતમાં હોસ્પિટલોમાં જોવા મળતા MRI સ્કેનર જેવા અદ્યતન વૈજ્ઞાનિક અને તબીબી ઉપકરણોમાં ક્રાયોજેનિક શીતક (coolant) તરીકે કામ કરવા સુધીના વિવિધ કાર્યક્રમોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
તટસ્થ હિલિયમ અણુમાં પેટા-અણુ કણો
હિલિયમનું અણુ માળખું તેના રાસાયણિક ગુણધર્મોને સમજવા માટે મૂળભૂત છે. સૌથી સામાન્ય આઇસોટોપ, હિલિયમ-4 (⁴He) માટે:
- પરમાણુ ક્રમાંક (Z): હિલિયમનો પરમાણુ ક્રમાંક 2 છે. આ મૂલ્ય દરેક હિલિયમ અણુના ન્યુક્લિયસમાં પ્રોટોનની સંખ્યા દર્શાવે છે.
- પ્રોટોન: એક તટસ્થ હિલિયમ અણુમાં 2 પ્રોટોન હોય છે.
- ઇલેક્ટ્રોન: એક તટસ્થ અણુમાં, વીજભારને સંતુલિત કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા પ્રોટોનની સંખ્યા જેટલી હોય છે.
- ઇલેક્ટ્રોન: એક તટસ્થ હિલિયમ અણુમાં 2 ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.
- ન્યુટ્રોન: હિલિયમના સૌથી સામાન્ય આઇસોટોપ માટે દળ ક્રમાંક (A) 4 છે. ન્યુટ્રોનની સંખ્યા દળ ક્રમાંકમાંથી પરમાણુ ક્રમાંક બાદ કરીને ગણી શકાય (ન્યુટ્રોન = A - Z).
- ન્યુટ્રોન: એક સામાન્ય હિલિયમ અણુ (હિલિયમ-4) માં 2 ન્યુટ્રોન હોય છે (4 - 2 = 2).
આથી, એક તટસ્થ હિલિયમ-4 અણુમાં 2 પ્રોટોન, 2 ન્યુટ્રોન અને 2 ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.
હિલિયમની ઇલેક્ટ્રોન ગોઠવણી
ઇલેક્ટ્રોન ગોઠવણી એ ન્યુક્લિયસની આસપાસના અણુ કક્ષકોમાં ઇલેક્ટ્રોનની ગોઠવણીનું વર્ણન કરે છે. હિલિયમ માટે, તેના 2 ઇલેક્ટ્રોન સાથે, ગોઠવણી સીધી છે:
- પ્રથમ ઊર્જા સ્તરમાં (n=1) માત્ર એક જ સબશેલ હોય છે, જે s-સબશેલ (1s) છે.
- ઑફબાઉ સિદ્ધાંત (Aufbau principle) અનુસાર, ઇલેક્ટ્રોન સૌપ્રથમ સૌથી નીચા ઊર્જા કક્ષકો ભરે છે.
- દરેક કક્ષકમાં વિરુદ્ધ સ્પિન (Pauli Exclusion Principle) સાથે વધુમાં વધુ બે ઇલેક્ટ્રોન સમાવી શકાય છે.
આમ, હિલિયમના બંને ઇલેક્ટ્રોન 1s કક્ષકમાં સ્થાન ધરાવે છે.
હિલિયમની ઇલેક્ટ્રોન ગોઠવણી 1s² છે.
હિલિયમમાં વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન
વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન એ અણુના સૌથી બહારના ઇલેક્ટ્રોન શેલમાં રહેલા ઇલેક્ટ્રોન છે. આ ઇલેક્ટ્રોન મુખ્યત્વે રાસાયણિક બંધનમાં સામેલ હોય છે.
- હિલિયમ માટે, સૌથી બહારનો અને એકમાત્ર ઇલેક્ટ્રોન શેલ પ્રથમ શેલ (n=1) છે.
- આ પ્રથમ શેલમાં 1s કક્ષકમાં બે ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.
આથી, હિલિયમમાં 2 વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.
2 વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોન હોવા છતાં, હિલિયમ અપવાદરૂપે સ્થિર અને નિષ્ક્રિય છે. આ સ્થિરતા એટલા માટે છે કારણ કે તેનો પ્રથમ (અને એકમાત્ર) ઇલેક્ટ્રોન શેલ સંપૂર્ણપણે ભરાયેલો છે, જે એક સ્થિર ડ્યુપ્લેટ ગોઠવણી પ્રાપ્ત કરે છે. આ સંપૂર્ણ બાહ્ય શેલ હિલિયમને રાસાયણિક રીતે નિષ્ક્રિય બનાવે છે, જે તેના ઉમદા વાયુ (નોબલ ગેસ) તરીકેના વર્ગીકરણ સાથે સુસંગત છે.