लोह (Fe): अणू रचना आणि रासायनिक बंध

अणूच्या पॅरामीटर्सची ओळख

लोह (Fe) हे 26 अणुक्रमांक असलेले एक संक्रमण धातू (transition metal) आहे.

• अणुक्रमांक (Z): 26 (केंद्रकातील प्रोटॉनची संख्या).
• प्रोटॉन: 26
• इलेक्ट्रॉन: 26 (उदासीन अणूमध्ये)
• न्यूट्रॉन: सर्वात सामान्य समस्थानिक, $^\{56\}\text\{Fe\}$ साठी, न्यूट्रॉनची संख्या वस्तुमान क्रमांक (A) - अणुक्रमांक (Z) = 56 - 26 = 30 आहे.
• सापेक्ष अणुवस्तुमान: 55.845 u (अणुवस्तुमान एकके).

उपकवच इलेक्ट्रॉन संरूपण

त्याच्या मूलभूत अवस्थेतील लोह (Fe) चे इलेक्ट्रॉन संरूपण औफबाऊ (Aufbau) तत्त्व, हंडचा (Hund’s) कमाल बहुविधतेचा नियम आणि पाउलीचा (Pauli’s) अपवर्जन नियम (exclusion principle) यांचे पालन करते.

• पूर्ण स्पेक्ट्रोस्कोपिक नोटेशन: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$
• नोबल गॅस नोटेशन: $[\text\{Ar\}] 4s^2 3d^6$

इलेक्ट्रॉन कक्षक (orbitals) खालीलप्रमाणे भरतात:

• $1s$: 2 इलेक्ट्रॉन
• $2s$: 2 इलेक्ट्रॉन
• $2p$: 6 इलेक्ट्रॉन
• $3s$: 2 इलेक्ट्रॉन
• $3p$: 6 इलेक्ट्रॉन
• $4s$: 2 इलेक्ट्रॉन
• $3d$: 6 इलेक्ट्रॉन (औफबाऊ तत्त्वानुसार, $4s$ कक्षक $3d$ पेक्षा आधी भरतो, परंतु $4s$ भरल्यानंतर $3d$ ची ऊर्जा कमी होते, त्यामुळे इच्छित असल्यास संघनित (condensed) नोटेशनमध्ये $3d$ ला $4s$ च्या आधी लिहिले जाते, पण $4s^2 3d^6$ बाहेरील कक्षक प्रथम योग्यरित्या दर्शवते.)

कक्षक आकृती (संयुजा कवच): संयुजा इलेक्ट्रॉन सर्वात बाहेरील $4s$ आणि अंशतः भरलेल्या $3d$ कक्षकांमध्ये असतात.

$4s$: $\underline\{\uparrow\downarrow\}$ $3d$: $\underline\{\uparrow\downarrow\}\ \underline\{\uparrow\}\ \underline\{\uparrow\}\ \underline\{\uparrow\}\ \underline\{\uparrow\}$ ($3d$ मध्ये एक जोडलेला इलेक्ट्रॉन, चार अयुग्मित इलेक्ट्रॉन)

संयुजा इलेक्ट्रॉन आणि संयुजा

लोह सारख्या संक्रमण धातूंसाठी, $ns$ इलेक्ट्रॉनांच्या व्यतिरिक्त $(n-1)d$ इलेक्ट्रॉन देखील बंध तयार करण्यामध्ये सहभागी होतात.

• संयुजा इलेक्ट्रॉन: $4s^2$ इलेक्ट्रॉन आणि $3d^6$ इलेक्ट्रॉन रासायनिक वर्तनामध्ये योगदान देतात.
• सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था:
  • +2 (फेरस): $\text\{Fe\}^\{2+\}$ आयन. दोन $4s$ इलेक्ट्रॉन गमावून तयार होतो.
    • इलेक्ट्रॉन संरूपण: $[\text\{Ar\}] 3d^6$
    • ही अवस्था सामान्य आणि तुलनेने स्थिर आहे.
  • +3 (फेरिक): $\text\{Fe\}^\{3+\}$ आयन. दोन $4s$ इलेक्ट्रॉन आणि एक $3d$ इलेक्ट्रॉन गमावून तयार होतो.
    • इलेक्ट्रॉन संरूपण: $[\text\{Ar\}] 3d^5$
    • ही अवस्था अर्धवट भरलेल्या $3d$ उपकवचामुळे अत्यंत स्थिर असते, ज्यामुळे अतिरिक्त स्थिरता मिळते.
  • इतर ऑक्सिडेशन अवस्था: +4 आणि +6 (उदा. फेरेट्समध्ये, $\text\{FeO\}_4^\{2-\}$), विशेषतः ऑक्सिजनसारख्या अत्यंत ऋणविद्युत घटकांसह आढळतात, परंतु त्या कमी सामान्य आहेत. तथापि, +2 आणि +3 ह्या उच्च माध्यमिक स्तरासाठी सर्वात प्रचलित आणि महत्त्वाच्या आहेत.

बंध तयार करण्याची क्षमता

लोह त्याच्या रासायनिक वातावरणानुसार विविध बंध तयार करण्याची क्षमता दर्शवतो.

1. धातूसदृश बंध

• त्याच्या मूलद्रव्य अवस्थेत, लोह धातूसदृश जाळी (metallic lattice) तयार करते.
• संयुजा इलेक्ट्रॉन ($4s$ आणि $3d$ कक्षकांमधून) विस्थानित (delocalized) होतात, ‘इलेक्ट्रॉनचा समुद्र’ तयार करतात जो धन धातू आयनांना एकत्र धरून ठेवतो.
• हा मजबूत धातूसदृश बंध लोहाच्या वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्मांसाठी जबाबदार आहे: उच्च गलनांक (melting point), उच्च घनता, चांगली विद्युत आणि उष्णता वाहकता, तसेच तन्यता (malleability) आणि वर्धनीयता (ductility).

2. आयनिक बंध

• लोह आयनिक संयुगे तयार करते, विशेषतः अत्यंत ऋणविद्युत अधातूंशी.
• या संयुगांमध्ये, Fe इलेक्ट्रॉन गमावून $\text\{Fe\}^\{2+\}$ किंवा $\text\{Fe\}^\{3+\}$ धन आयन (cations) तयार करते, जे नंतर ऋण आयनांशी (anions) स्थिरविद्युत बंध (electrostatic bonds) तयार करतात.
• उदाहरणे:
  • फेरस क्लोराईड ($\text\{FeCl\}_2$): $\text\{Fe\}^\{2+\}$ आणि $\text\{Cl\}^-$ आयन.
  • फेरिक क्लोराईड ($\text\{FeCl\}_3$): $\text\{Fe\}^\{3+\}$ आणि $\text\{Cl\}^-$ आयन.
  • फेरस ऑक्साईड ($\text\{FeO\}$): $\text\{Fe\}^\{2+\}$ आणि $\text\{O\}^\{2-\}$ आयन.
  • फेरिक ऑक्साईड ($\text\{Fe\}_2\text\{O\}_3$): $\text\{Fe\}^\{3+\}$ आणि $\text\{O\}^\{2-\}$ आयन.

3. सहसंयुजी गुणधर्म आणि सहसंयुज बंध (Coordinate Bonding)

• अनेक साध्या संयुगांमध्ये प्रामुख्याने आयनिक असले तरी, लोहाची संयुगे, विशेषतः उच्च ऑक्सिडेशन अवस्थांमध्ये किंवा संकुल (complexes) तयार करताना, लक्षणीय सहसंयुजी गुणधर्म दर्शवू शकतात.
• संयुजा संकुल (Coordination Complexes): लोह हे संक्रमण धातूचे एक उत्कृष्ट उदाहरण आहे जे अनेक स्थिर कोऑर्डिनेशन संयुगे तयार करते. या संकुलांमध्ये, मध्यवर्ती लोह अणू लुईस आम्ल (Lewis acid) म्हणून कार्य करतो, लिगंड्सकडून (Lewis bases) इलेक्ट्रॉनच्या जोड्या स्वीकारून सहसंयुज बंध (coordinate covalent bonds) तयार करतो.
• क्रिस्टल फील्ड सिद्धांत (CFT) प्रासंगिकता: लोह संकुलांचे बंध आणि गुणधर्म (उदा. रंग, चुंबकीय गुण) अनेकदा CFT वापरून स्पष्ट केले जातात, जे मध्यवर्ती धातू आयनाच्या $d$-कक्षकांमधील आणि लिगंड्समधील आंतरक्रियांचे वर्णन करते.
• संकरण आणि भूमिती (Hybridization and Geometry):
  • अष्टफलकीय भूमिती (Octahedral Geometry): Fe संकुलांसाठी सर्वात सामान्य भूमिती.
  • आंतर कक्षक संकुल ($d^2sp^3$ संकरण): मजबूत फील्ड लिगंड्स (उदा. $\text\{CN\}^-$) सह घडते जे $3d$ इलेक्ट्रॉन्सचे युग्मन (pairing) करतात, ज्यामुळे संकरणासाठी दोन $3d$ कक्षक उपलब्ध होतात.
    • उदाहरण: हेक्सासायनोफेरेट(II) आयन, $[\text\{Fe\}(\text\{CN\})_6]^\{4-\}$. येथे, $\text\{Fe\}^\{2+\}$ ($3d^6$) एक आंतर कक्षक अष्टफलकीय संकुल तयार करते.
  • बाह्य कक्षक संकुल ($sp^3d^2$ संकरण): कमकुवत फील्ड लिगंड्स (उदा. $\text\{F\}^-$) सह घडते जे $3d$ इलेक्ट्रॉन्सचे युग्मन करत नाहीत, ज्यामुळे संकरणासाठी $4d$ कक्षकांचा वापर होतो.
    • उदाहरण: हेक्साफ्लोरोफेरेट(III) आयन, $[\text\{FeF\}_6]^\{3-\}$. येथे, $\text\{Fe\}^\{3+\}$ ($3d^5$) एक बाह्य कक्षक अष्टफलकीय संकुल तयार करते.