ઝિર્કોનિયમ (Zr): પરમાણુ બંધારણ અને રાસાયણિક ગુણધર્મો

ઝિર્કોનિયમ (Zr) ની અણુ મોડેલ વિગતો

ઝિર્કોનિયમ (Zr) એ સંક્રાંતિ ધાતુ છે જે આવર્ત કોષ્ટકના સમૂહ 4 અને આવર્ત 5 માં આવેલ છે.

મૂળભૂત કણો

• અણુ ક્રમાંક (Z): 40
• પ્રોટોન: 40
• ઇલેક્ટ્રોન: 40 (તટસ્થ અણુમાં)
• ન્યુટ્રોન: આશરે 51 (સૌથી પ્રચુર આઇસોટોપ, ⁹¹Zr માટે, 91 - 40 = 51 ન્યુટ્રોન છે. સરેરાશ અણુ દળ 91.224 u છે.)

અણુ કદ

• સહસંયોજક ત્રિજ્યા: ~160 pm (પીકોમીટર)
• વાન ડેર વાલ્સ ત્રિજ્યા: ઘન અવસ્થામાં ધાતુઓ માટે સામાન્ય રીતે વ્યાખ્યાયિત નથી, પરંતુ ઘણીવાર પરમાણ્વીય સ્વરૂપો માટે અનુમાનિત અથવા ગણતરી કરાય છે.
• આયનીય ત્રિજ્યા (Zr⁴⁺): ~79 pm (સહસંબંધ આંક 6 માટે)

ઇલેક્ટ્રોનિક સંરચના અને શેલ ડાયાગ્રામ

ભૂમિ અવસ્થા ઇલેક્ટ્રોનિક સંરચના

• કક્ષકીય સંરચના: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d² 5s²
• ઉમદા વાયુ સંરચના: [Kr] 4d² 5s²
  • આ સંરચના સૂચવે છે કે ઝિર્કોનિયમમાં ક્રિપ્ટોન (Kr) જેવું જ આંતરિક ગર્ભ છે, ત્યારબાદ 4d ઉપશેલમાં બે ઇલેક્ટ્રોન અને 5s ઉપશેલમાં બે ઇલેક્ટ્રોન છે. ઓફબાઉ સિદ્ધાંત મુજબ 4d કક્ષક ભરાય તે પહેલા 5s કક્ષક ભરાય છે, પરંતુ ભર્યા પછી, ઊર્જા સ્તરો એવા હોય છે કે આયનીકરણ દરમિયાન 5s ઇલેક્ટ્રોન સૌપ્રથમ ગુમાવાય છે, અને 4d ઇલેક્ટ્રોન તેના સંક્રાંતિ ધાતુના ગુણધર્મો નક્કી કરે છે.

શેલ ડાયાગ્રામ રજૂઆત (ઇલેક્ટ્રોન વિતરણ)

ઝિર્કોનિયમમાં ઇલેક્ટ્રોન પાંચ મુખ્ય ઊર્જા શેલો (K, L, M, N, O) માં નીચે મુજબ વિતરિત થાય છે:

• K-શેલ (પ્રથમ શેલ): 2 ઇલેક્ટ્રોન (1s²)
• L-શેલ (બીજો શેલ): 8 ઇલેક્ટ્રોન (2s² 2p⁶)
• M-શેલ (ત્રીજો શેલ): 18 ઇલેક્ટ્રોન (3s² 3p⁶ 3d¹⁰)
• N-શેલ (ચોથો શેલ): 10 ઇલેક્ટ્રોન (4s² 4p⁶ 4d²)
• O-શેલ (પાંચમો શેલ): 2 ઇલેક્ટ્રોન (5s²) આ વિતરણ કુલ 2 + 8 + 18 + 10 + 2 = 40 ઇલેક્ટ્રોનની પુષ્ટિ કરે છે.

ઝિર્કોનિયમ (Zr) માટે આવર્ત વલણો

આયનીકરણ એન્થાલ્પી

• પ્રથમ આયનીકરણ એન્થાલ્પી (IE₁): 640.1 kJ/mol
• દ્વિતીય આયનીકરણ એન્થાલ્પી (IE₂): 1270 kJ/mol
• વલણ: સંક્રાંતિ ધાતુ હોવાને કારણે, આંતરિક d-ઇલેક્ટ્રોનની શિલ્ડિંગ અસર અને s અને d બંને કક્ષકોમાં વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનની હાજરીને કારણે ઝિર્કોનિયમ પ્રમાણમાં મધ્યમ આયનીકરણ એન્થાલ્પી દર્શાવે છે. IE₁ થી IE₂ માં વધારો નોંધપાત્ર છે પરંતુ સમાન સંયોજકતા શેલમાંથી ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવવા માટે લાક્ષણિક છે.

વિદ્યુતઋણતા

• પોલિંગ સ્કેલ વિદ્યુતઋણતા: 1.33
• વલણ: ઝિર્કોનિયમ એક વિદ્યુતધન ધાતુ છે, જે તેના ઓછા વિદ્યુતઋણતા મૂલ્ય દ્વારા સૂચવવામાં આવે છે. તે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાં સહેલાઈથી ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને હકારાત્મક આયનો, ખાસ કરીને Zr⁴⁺, બનાવે છે.

ઇલેક્ટ્રોન પ્રાપ્તિ એન્થાલ્પી

• ઇલેક્ટ્રોન પ્રાપ્તિ એન્થાલ્પી: -41 kJ/mol (આ મૂલ્ય સ્ત્રોત મુજબ થોડું બદલાઈ શકે છે, અને ધાતુઓ માટે, તે ઘણીવાર સહેજ નકારાત્મક અથવા શૂન્યની નજીક હોય છે, જે ઇલેક્ટ્રોન મેળવવાની અને એનાયન બનાવવાની ઓછી વૃત્તિ દર્શાવે છે.)
• વલણ: મોટાભાગની ધાતુઓની જેમ, ઝિર્કોનિયમમાં ઓછી (સહેજ ઉષ્માક્ષેપક અથવા ઉષ્માશોષક) ઇલેક્ટ્રોન પ્રાપ્તિ એન્થાલ્પી હોય છે, જે તેના ધાત્ત્વિક ગુણધર્મ અને ઇલેક્ટ્રોન મેળવવાને બદલે ગુમાવવાની વૃત્તિ દર્શાવે છે.

અણુ ત્રિજ્યા

• અણુ ત્રિજ્યા (સહસંયોજક): 160 pm
• વલણ: ઝિર્કોનિયમની અણુ ત્રિજ્યા સમાન સમૂહમાં આવર્ત 4 માં રહેલા તત્વો (દા.ત., ટાઇટેનિયમ) કરતાં વધારાના ઇલેક્ટ્રોન શેલ ઉમેરાવાને કારણે મોટી હોય છે. જો કે, લેન્થેનોઇડ સંકોચન અસરને કારણે તે આવર્ત 6 માં રહેલા હેફ્નિયમ (Hf) (159 pm) જેવી જ હોય છે. આ ઘટના, જ્યાં 4f ઇલેક્ટ્રોનનું નબળું શિલ્ડિંગ અસરકારક ન્યુક્લિયર ચાર્જમાં વધારો કરે છે, તે લેન્થેનોઇડ્સ પછીના સમાન સમૂહના તત્વો માટે લગભગ સમાન કદ તરફ દોરી જાય છે.

ઝિર્કોનિયમ (Zr) ના મુખ્ય ભૌતિક ગુણધર્મો

• પ્રમાણભૂત તાપમાન અને દબાણ (STP) પર અવસ્થા: ઘન
• દેખાવ: ચાંદી-સફેદ, ચળકતી ધાતુ
• ઘનતા: 6.51 g/cm³ (20 °C પર)
• ગલનબિંદુ: 1855 °C (2128 K)
• ઉત્કલનબિંદુ: 4377 °C (4650 K)
• કઠિનતા (મોહ્સ સ્કેલ): 5.0
• સ્ફટિક બંધારણ: ઓરડાના તાપમાને હેક્સાગોનલ ક્લોઝ-પેક્ડ (HCP) (α-Zr), ઊંચા તાપમાને બોડી-સેન્ટર્ડ ક્યુબિક (BCC) (β-Zr) માં રૂપાંતરિત થાય છે.