क्लोरीन (Cl) - अणु रचना आणि रासायनिक बंध

अणु मापदंडांची ओळख

क्लोरीन (Cl) हे p-ब्लॉक मूलद्रव्य असून गट 17, हॅलोजन्सचा सदस्य आहे. त्याची अणु रचना त्याची रासायनिक वैशिष्ट्ये निश्चित करते.

• अणुअंक (Z): 17
  • याचा अर्थ असा आहे की एका तटस्थ क्लोरीन अणूमध्ये त्याच्या केंद्रकात 17 प्रोटॉन आणि केंद्रकाभोवती 17 इलेक्ट्रॉन असतात.
• वस्तुमान संख्या (A):
  • क्लोरीन प्रामुख्याने दोन स्थिर समस्थानिकांच्या स्वरूपात अस्तित्वात असतो: क्लोरीन-35 ($^\{35\}$Cl) आणि क्लोरीन-37 ($^\{37\}$Cl).
  • $^\{35\}$Cl अंदाजे 75.77% असतो आणि त्यात 18 न्यूट्रॉन (35 - 17 = 18) असतात.
  • $^\{37\}$Cl अंदाजे 24.23% असतो आणि त्यात 20 न्यूट्रॉन (37 - 17 = 20) असतात.
  • सरासरी अणुवस्तुमान 35.453 amu आहे, जे या समस्थानिकांच्या भारित सरासरी दर्शवते. सामान्यतः, जर निर्दिष्ट केले नसेल, तर ते सरासरी अणुवस्तुमान संदर्भित करते. न्यूट्रॉनच्या संख्येसाठी, सर्वात जास्त प्रमाणात असलेला समस्थानिक ($^\{35\}$Cl) हा सामान्यतः प्रतिनिधी मानला जातो.
  • न्यूट्रॉन (मधील $^\{35\}$Cl): 18

उपकवच इलेक्ट्रॉनिक संरूपण

तटस्थ क्लोरीन अणूमध्ये (17 इलेक्ट्रॉन) इलेक्ट्रॉनचे विविध ऊर्जा स्तरांमध्ये आणि उपकवचांमध्ये वितरण त्याच्या अभिक्रियाशीलतेच्या (reactivity) समजासाठी मूलभूत आहे.

• पूर्ण इलेक्ट्रॉनिक संरूपण: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$
• उत्कृष्ट वायू संरूपण: $[Ne] 3s^2 3p^5$
• ऑर्बिटल आकृती (संयुजा कवच): संयुजा कवच हा तिसरा मुख्य ऊर्जा स्तर आहे.

  3s:  ↑↓
  3p:  ↑↓  ↑↓  ↑
  3d:  _   _   _   _   _  (Empty, but available for octet expansion)
  

  हे संरूपण 3p उपकवचामध्ये एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन दर्शवते, ज्यामुळे क्लोरीन अत्यंत अभिक्रियाशील बनतो.

संयुजा इलेक्ट्रॉन आणि संयुजा

• संयुजा इलेक्ट्रॉन: क्लोरीनमध्ये 7 संयुजा इलेक्ट्रॉन (3s मध्ये 2 आणि 3p उपकवचामध्ये 5) असतात.
• अष्टक नियमाची प्रवृत्ती: स्थिर उत्कृष्ट वायू संरूपण (अष्टक) प्राप्त करण्यासाठी, क्लोरीन सहजपणे प्रवृत्त होतो:
  1. एक इलेक्ट्रॉन मिळवतो: हे सर्वात सामान्य वर्तन आहे, ज्यामुळे -1 ऑक्सिडेशन अवस्थेसह क्लोराईड आयन ($Cl^-$) तयार होतो. हे त्याचे 3p उपकवच पूर्ण करते ($3s^2 3p^6$).
  2. एक इलेक्ट्रॉन सामायिक करतो: इतर अधातूंसोबतच्या सहसंयुजी संयुगांमध्ये, ते अष्टक पूर्ण करण्यासाठी इलेक्ट्रॉन सामायिक करते.
• परिवर्ती संयुजा (ऑक्सिडेशन अवस्था): तुल्य ऊर्जा असलेल्या रिक्त 3d ऑर्बिटल्सच्या उपस्थितीमुळे, क्लोरीन त्याचे 3s आणि 3p उपकवचांमधून इलेक्ट्रॉन या रिक्त 3d ऑर्बिटल्समध्ये उत्तेजित करून (promote) धन ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवू शकतो, ज्यामुळे त्याचे अष्टक विस्तारते.
  • -1: क्लोराईड्समध्ये (उदा. NaCl, HCl, CCl₄). ही सर्वात स्थिर आणि सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था आहे.
  • +1: हायपोक्लोराईट्स आणि हायपोक्लोरस आम्लामध्ये (उदा. HClO, Cl₂O).
  • +3: क्लोराईट्स आणि क्लोरस आम्लामध्ये (उदा. HClO₂, ClO₂⁻).
  • +5: क्लोरेट्स आणि क्लोरिक आम्लामध्ये (उदा. HClO₃, ClO₃⁻).
  • +7: परक्लोरेट्स आणि परक्लोरिक आम्लामध्ये (उदा. HClO₄, ClO₄⁻).

बंध वर्तन

क्लोरीनची उच्च ऋणविद्युतता (पॉलिंग स्केलवर 3.16) आणि इलेक्ट्रॉन मिळवण्याची किंवा सामायिक करण्याची प्रवृत्ती त्याच्या विविध बंध वर्तनाचे नियमन करते.

1. आयनिक बंध

• क्लोरीन प्रामुख्याने अत्यंत धनविद्युत मूलद्रव्यांसोबत (गट 1 आणि गट 2 धातू) आयनिक बंध तयार करतो.
• या प्रकारच्या बंधात, क्लोरीन धातूकडून एक इलेक्ट्रॉन मिळवतो, ज्यामुळे पूर्ण अष्टकासह एक स्थिर क्लोराईड आयन ($Cl^-$) तयार होतो.
• उदाहरण: सोडियम क्लोराईड (NaCl)
  • $\text\{Na\} \xrightarrow\{\text\{lose \} 1e^-\} \text\{Na\}^+$
  • $\text\{Cl\} \xrightarrow\{\text\{gain \} 1e^-\} \text\{Cl\}^-$
  • $Na^+$ आणि $Cl^-$ यांच्यातील स्थिरविद्युत आकर्षण आयनिक बंध तयार करते.

2. सहसंयुजी बंध

क्लोरीन इतर अधातू आणि धातूसदृश मूलद्रव्यांसोबत इलेक्ट्रॉन सामायिक करून सहसंयुजी बंध तयार करतो.

• अध्रुवीय सहसंयुजी बंध:
  • जेव्हा दुसऱ्या क्लोरीन अणूशी बंध तयार होतो, तेव्हा इलेक्ट्रॉन समान प्रमाणात सामायिक केले जातात.
  • उदाहरण: क्लोरीन रेणू (Cl₂)
    • प्रत्येक Cl अणू एक इलेक्ट्रॉन देऊन एक एकेरी सहसंयुजी बंध (Cl-Cl) तयार करतो.
• ध्रुवीय सहसंयुजी बंध:
  • जेव्हा कमी ऋणविद्युत अधातूशी बंध तयार होतो, तेव्हा इलेक्ट्रॉन असमान प्रमाणात सामायिक केले जातात, ज्यामुळे ध्रुवीय बंध तयार होतो.
  • उदाहरण: हायड्रोजन क्लोराईड (HCl)
    • H आणि Cl यांच्यातील बंध ध्रुवीय आहे, ज्यामध्ये क्लोरीनच्या उच्च ऋणविद्युततेमुळे Cl वर आंशिक ऋण प्रभार ($\delta^-$) आणि H वर आंशिक धन प्रभार ($\delta^+$) असतो.
  • उदाहरण: कार्बन टेट्राक्लोराईड (CCl₄)
    • कार्बन sp³ संकरित असतो, चार एकेरी C-Cl बंध तयार करतो. प्रत्येक C-Cl बंध ध्रुवीय असतो, परंतु सममितीय चतुष्फलकीय भूमितीमुळे, आण्विक द्विध्रुवीय आघूर्ण (molecular dipole moments) रद्द होतात, ज्यामुळे रेणू एकूणच अध्रुवीय बनतो.
• अष्टक विस्तारासह सहसंयुजी बंध:
  • ज्या संयुगांमध्ये क्लोरीन धन ऑक्सिडेशन अवस्था दर्शवतो (उदा. ऑक्सिअम्ले किंवा त्यांचे संबंधित आयन), त्यात ते त्याचे रिक्त 3d ऑर्बिटल्स वापरून आपले अष्टक विस्तारित करते.
  • उदाहरण: परक्लोरिक आम्ल (HClO₄)
    • क्लोरीन एका ऑक्सिजन अणूशी (जो हायड्रोजनशी देखील जोडलेला असतो) एक एकेरी बंध आणि इतर तीन ऑक्सिजन अणूंसोबत तीन दुहेरी बंध तयार करतो. अणूंवरील औपचारिक प्रभार कमी करण्यासाठी क्लोरीनच्या अष्टकाचा विस्तार करून त्याच्याभोवती 14 इलेक्ट्रॉन सामावून घेणे यात समाविष्ट आहे.
    • $ClO_4^-$ मधील क्लोरीन sp³ संकरित असतो, चतुष्फलकीय भूमिती स्वीकारतो.

3. सहनिर्देशक सहसंयुजी बंध

साध्या रेणूंमध्ये क्लोरीनच्या दृष्टिकोनातून थेट सहनिर्देशक बंध दाता म्हणून कमी वर्णन केले जात असले तरी, ऑक्सिअनायनमधील औपचारिक प्रभार आणि अष्टक विस्ताराच्या संकल्पनेत अनेकदा इलेक्ट्रॉन सामायिकरण नमुने समाविष्ट असतात जे d-ऑर्बिटल सहभागातून मिळवलेल्या सहनिर्देशक बंध किंवा दुहेरी बंधांसारखे प्रभावीपणे दर्शविले जाऊ शकतात.

• $ClO_3^-$ किंवा $ClO_4^-$ सारख्या संरचनेत, जर ऑक्सिजनवरील अष्टक नियम पूर्ण करण्यासाठी फक्त एकेरी बंधांसह रेखाटले, तर क्लोरीनवर महत्त्वपूर्ण धन औपचारिक प्रभार असेल. सामान्य प्रतिनिधित्व अनेकदा दुहेरी बंध वापरते (उदा. $ClO_4^-$ मध्ये, एक एकेरी Cl-O बंध, तीन Cl=O दुहेरी बंध) जे अष्टकाच्या पलीकडे बंधासाठी क्लोरीनच्या d-ऑर्बिटल्सच्या वापरास सूचित करते, त्यामुळे हे अतिरिक्त बंध दंत-सदृश (dative-like) स्वभावाचे बनतात, जरी ते पारंपारिकपणे दुहेरी बंध म्हणून रेखाटले जातात.
• उदाहरण: क्लोरेट आयन ($ClO_3^-$)
  • क्लोरीनकडे एक एकाकी इलेक्ट्रॉन जोडी (lone pair) असते आणि ते तीन ऑक्सिजन अणूंशी बंध तयार करते.
  • औपचारिक प्रभार कमी करण्यासाठी, ते अनेकदा एक एकेरी बंध आणि दोन दुहेरी बंधांसह (किंवा अनुनाद संरचना जिथे दुहेरी बंधाचे वैशिष्ट्य वितरित केले जाते) दर्शविले जाते.
  • $ClO_3^-$ मधील क्लोरीन sp³ संकरित असतो, एका एकाकी इलेक्ट्रॉन जोडीच्या उपस्थितीमुळे त्रिकोणीय पिरॅमिडल आण्विक भूमिती दर्शवतो.

क्लोरीनची विविध ऑक्सिडेशन अवस्था आणि बंध नमुने दर्शवण्याची क्षमता त्याला अजैविक रसायनशास्त्रात एक बहुपयोगी मूलद्रव्य बनवते.