સિલિકોન (Si) ની પરમાણુ રચના અને રાસાયણિક બંધન

આણ્વિક પરિમાણોનો પરિચય

સિલિકોન (Si) આવર્ત કોષ્ટકમાં સમૂહ 14 નો બીજો અને 14મો તત્વ છે. તેના આણ્વિક પરિમાણો તેના રાસાયણિક વર્તનને સમજવા માટે મૂળભૂત છે.

• પરમાણુ ક્રમાંક (Z): 14
  • કેન્દ્રમાં 14 પ્રોટોન સૂચવે છે.
  • તટસ્થ પરમાણુમાં, તે 14 ઇલેક્ટ્રોન પણ સૂચવે છે.
• દળ સંખ્યા (A): સૌથી સામાન્ય સમસ્થાનિક સિલિકોન-28 ($^\{28\}\text\{Si\}$) છે.
  • પ્રોટોનની સંખ્યા: 14
  • ન્યુટ્રોનની સંખ્યા: A - Z = 28 - 14 = 14
• સરેરાશ પરમાણુ દળ: 28.0855 u (સમસ્થાનિકો $^\{28\}\text\{Si\}$, $^\{29\}\text\{Si\}$, $^\{30\}\text\{Si\}$ ની કુદરતી વિપુલતા દર્શાવે છે).
• સમૂહ: 14 (કાર્બન કુટુંબ)
• આવર્ત: 3

ઉપકક્ષા ઇલેક્ટ્રોનિક ગોઠવણી

વિવિધ ઉપકક્ષાઓમાં ઇલેક્ટ્રોનનું વિતરણ સિલિકોનના રાસાયણિક ગુણધર્મો નક્કી કરે છે.

• સંકેત (આફબાઉ સિદ્ધાંત):

  1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
  

• ઓર્બિટલ ડાયાગ્રામ (સંયોજકતા કક્ષા):

  • સંયોજકતા કક્ષા ત્રીજી ઊર્જા સ્તર (n=3) છે.
  • સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન: 4 (બે 3s માં, બે 3p માં).

  3s:  [↑↓]
  3p:  [↑ ][↑ ][  ]
  

  આ ગોઠવણી મૂળભૂત અવસ્થામાં બે અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન દર્શાવે છે.

સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન અને સંયોજકતા

સમૂહ 14 માં સિલિકોનની સ્થિતિ તેના સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન અને લાક્ષણિક સંયોજકતા સંબંધિત વિશિષ્ટ લાક્ષણિકતાઓ સૂચવે છે.

• સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોન: 4 (3s² 3p² ગોઠવણીમાંથી). આ સૌથી બહારની કક્ષાના ઇલેક્ટ્રોન છે જે રાસાયણિક બંધનમાં ભાગ લે છે.
• સંયોજકતા: 4. સિલિકોન ચતુર્સંયોજક છે.
  • સ્થિર અષ્ટક ગોઠવણી (આર્ગોન જેવી, [Ne]3s²3p⁶) પ્રાપ્ત કરવા માટે, સિલિકોન સૈદ્ધાંતિક રીતે આ કરી શકે છે:
    1. Si⁴⁻ બનાવવા માટે 4 ઇલેક્ટ્રોન મેળવે (જેને નોંધપાત્ર ઊર્જાની જરૂર પડે છે, અસામાન્ય).
    2. Si⁴⁺ બનાવવા માટે 4 ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવે (જેને ખૂબ ઊંચી આયનીકરણ ઊર્જાની જરૂર પડે છે, સરળ આયનીય સંયોજનોમાં અસામાન્ય).
    3. 4 સહસંયોજક બંધ બનાવવા માટે 4 ઇલેક્ટ્રોનનું વિભાજન કરે. તેની મધ્યમ ઇલેક્ટ્રોનગેટિવિટી (પૉલિંગ સ્કેલ પર 1.90) અને કાર્બનની સરખામણીમાં પ્રમાણમાં મોટો પરમાણુ કદ હોવાને કારણે આ સૌથી વધુ ઊર્જાવાન અનુકૂળ માર્ગ છે.
• સામાન્ય ઓક્સિડેશન અવસ્થાઓ:
  • +4: સૌથી સામાન્ય, ઓક્સાઇડ, હેલાઇડ્સ, સિલિકેટ્સ વગેરેમાં જોવા મળે છે.
  • -4: અત્યંત વિદ્યુતધનાત્મક ધાતુઓ સાથેના સિલિસાઇડ્સમાં જોવા મળે છે (દા.ત., Mg₂Si).

બંધન વર્તન

સિલિકોન તેના ચાર સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રોનનું સ્થિર અષ્ટક પ્રાપ્ત કરવા માટે વહેંચવાની વૃત્તિને કારણે મુખ્યત્વે સહસંયોજક બંધ બનાવે છે.

સંકરણ

• મૂળભૂત અવસ્થા ગોઠવણી: 3s² 3pₓ¹ 3py¹ 3pz⁰ (બે અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન).
• ઉત્તેજિત અવસ્થા ગોઠવણી (બંધન માટે): 3s ઓર્બિટલમાંથી એક ઇલેક્ટ્રોન ખાલી 3pz ઓર્બિટલમાં પ્રમોટ થાય છે.

  3s:  [↑ ]
  3p:  [↑ ][↑ ][↑ ]
  

  આ ચાર અયુગ્મિત ઇલેક્ટ્રોન પ્રદાન કરે છે.
• સંકરણ: આ ચાર પરમાણુ ઓર્બિટલ (એક 3s અને ત્રણ 3p ઓર્બિટલ) સંકરણ કરીને ચાર સમકક્ષ sp³ સંકૃત ઓર્બિટલ બનાવે છે. આ sp³ ઓર્બિટલ નિયમિત ટેટ્રાહેડ્રોનના ખૂણા તરફ નિર્દેશિત હોય છે.

બંધનો પ્રકાર અને ભૂમિતિ

• સહસંયોજક બંધન: સિલિકોન લગભગ ફક્ત સહસંયોજક બંધ બનાવે છે.
• આણ્વિક ભૂમિતિ: જ્યારે સિલિકોન ચાર એકલ બંધ બનાવે છે, ત્યારે તે sp³ સંકરણને કારણે સિલિકોન પરમાણુની આસપાસ સામાન્ય રીતે ટેટ્રાહેડ્રલ ભૂમિતિ અપનાવે છે, જેમાં બંધ કોણ 109.5° ની નજીક હોય છે.

વિશિષ્ટ સંયોજન ઉદાહરણો

1. મૂળભૂત સિલિકોન (Si):

   • હીરા જેવી વિશાળ સહસંયોજક નેટવર્ક રચના બનાવે છે.
   • દરેક સિલિકોન પરમાણુ sp³ સંકૃત હોય છે અને ચતુષ્ફલકીય ગોઠવણીમાં અન્ય ચાર સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે સહસંયોજક રીતે બંધાયેલ હોય છે.
   • આ તેના કઠિનતા, ઉચ્ચ ગલનબિંદુ અને સેમિકન્ડક્ટર ગુણધર્મો તરફ દોરી જાય છે.

2. સિલિકોન ટેટ્રાક્લોરાઇડ (SiCl₄):

   • એક આણ્વિક સહસંયોજક સંયોજન.
   • કેન્દ્રીય સિલિકોન પરમાણુ sp³ સંકૃત હોય છે.
   • ચાર ક્લોરિન પરમાણુઓ સાથે ચાર સહસંયોજક બંધ બનાવે છે.
   • ભૂમિતિ: ટેટ્રાહેડ્રલ.

3. સિલેન્સ (દા.ત., SiH₄ - મોનોસિલેન):

   • આલ્કેન્સ જેવા સહસંયોજક આણ્વિક સંયોજનો.
   • SiH₄ માં, સિલિકોન પરમાણુ sp³ સંકૃત હોય છે અને ચાર હાઇડ્રોજન પરમાણુઓ સાથે બંધાયેલ હોય છે.
   • ભૂમિતિ: ટેટ્રાહેડ્રલ.

4. સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO₂ - સિલિકા):

   • એક વિશાળ સહસંયોજક નેટવર્ક ઘન (દા.ત., ક્વાર્ટઝ).
   • દરેક સિલિકોન પરમાણુ sp³ સંકૃત હોય છે અને ચતુષ્ફલકીય ગોઠવણીમાં ચાર ઓક્સિજન પરમાણુઓ સાથે સહસંયોજક રીતે બંધાયેલ હોય છે.
   • દરેક ઓક્સિજન પરમાણુ, બદલામાં, બે સિલિકોન પરમાણુઓને જોડે છે.
   • SiO₂ સૂત્ર અનુભવજન્ય ગુણોત્તર રજૂ કરે છે, સ્વતંત્ર અણુઓ નહીં. નેટવર્ક રચના તેના ઉચ્ચ ગલનબિંદુ અને કઠિનતા માટે જવાબદાર છે.

5. સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC - કાર્બોરન્ડમ):

   • એક કઠિન, ઘર્ષક વિશાળ સહસંયોજક નેટવર્ક ઘન.
   • હીરાની જેમ, દરેક સિલિકોન પરમાણુ sp³ સંકૃત હોય છે અને ચાર કાર્બન પરમાણુઓ સાથે બંધાયેલ હોય છે, અને દરેક કાર્બન પરમાણુ ચાર સિલિકોન પરમાણુઓ સાથે બંધાયેલ હોય છે, જે એક મજબૂત ચતુષ્ફલકીય નેટવર્ક બનાવે છે.