ऑक्सिजन (O): अणुसंरचना आणि रासायनिक बंध

अणु पॅरामीटर्सची ओळख

ऑक्सिजन (O) हे आवर्त सारणीतील आठवे मूलद्रव्य आहे, जे गट 16 (चॅल्कोजेन्स) आणि आवर्त 2 मध्ये येते. हे एक अत्यंत क्रियाशील अधातू आहे.

अणुअंक (Z): 8
- केंद्रकात 8 प्रोटॉन दर्शवतो.
- उदासीन ऑक्सिजन अणूमधील 8 इलेक्ट्रॉन दर्शवतो.
वस्तुमान क्रमांक (A): 16 (सर्वात सामान्य समस्थानिक, ¹⁶O साठी)
- एकूण 16 न्यूक्लिऑन (प्रोटॉन + न्यूट्रॉन) दर्शवतो.
- न्यूट्रॉनची संख्या = वस्तुमान क्रमांक - अणुअंक = 16 - 8 = 8 न्यूट्रॉन.
अणुवस्तुमान: 15.999 u (नैसर्गिक समस्थानिकांची विपुलता विचारात घेऊन सरासरी अणुवस्तुमान).

उपकक्षा इलेक्ट्रॉन संरूपण

इलेक्ट्रॉन संरूपण हे अणु कक्षेतील इलेक्ट्रॉनचे वितरण दर्शवते.

पूर्ण संरूपण: 1s² 2s² 2p⁴
राजवायू संरूपण: [He] 2s² 2p⁴

कक्षक आकृती स्पष्टीकरण

कक्षक आकृती हंडचा कमाल बहुता (Hund’s Rule of Maximum Multiplicity) नियम आणि पाऊलीचा अपवर्जन (Pauli’s Exclusion Principle) नियमानुसार त्यांच्या संबंधित उपकक्षांमध्ये इलेक्ट्रॉनची मांडणी स्पष्ट करते.

1s कक्षक: 2 इलेक्ट्रॉन असतात (फिरलेले-जोडी).
```
[↑↓]
 1s
```
2s कक्षक: 2 इलेक्ट्रॉन असतात (फिरलेले-जोडी).
```
[↑↓]
 2s
```
2p कक्षक: 4 इलेक्ट्रॉन असतात. हंडच्या नियमानुसार, इलेक्ट्रॉन प्रथम समांतर स्पिन असलेल्या समपातळीवरील कक्षांमध्ये एकटेच व्यापतील आणि नंतर जोड्या करतील.
```
[↑↓] [↑ ] [↑ ]
 2px  2py  2pz
```
हे संरूपण 2p उपकक्षेमध्ये दोन अयुग्मित इलेक्ट्रॉन दर्शवते, ज्यामुळे ऑक्सिजनचा पॅराचुंबकीय स्वभाव आणि दोन सहसंयुज बंध तयार करण्याची प्रवृत्ती दिसून येते.

संयुजा इलेक्ट्रॉन आणि संयुजा

संयुजा कवच: सर्वात बाहेरील कवच हे दुसरे कवच आहे.
संयुजा इलेक्ट्रॉन: ऑक्सिजनमध्ये 6 संयुजा इलेक्ट्रॉन असतात (2s मधून 2 आणि 2p मधून 4).
प्रवृत्ती: स्थिर अष्टक संरूपण (निऑनप्रमाणे, [He] 2s² 2p⁶) प्राप्त करण्यासाठी, ऑक्सिजन सामान्यतः 2 इलेक्ट्रॉन मिळवतो किंवा 2 इलेक्ट्रॉन जोड्या सामायिक करतो.
सामान्य संयुजा: 2
ऑक्सिडेशन अवस्था:
- -2: सर्वात सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था (उदा. H₂O, MgO, CO₂). हे तेव्हा घडते जेव्हा ऑक्सिजन अष्टक पूर्ण करण्यासाठी दोन इलेक्ट्रॉन मिळवतो.
- -1: पेरोक्साइडमध्ये (उदा. H₂O₂, Na₂O₂), जिथे ऑक्सिजन अणू एकमेकांशी जोडलेले असतात.
- -½: सुपरऑक्साइडमध्ये (उदा. KO₂), जिथे O₂⁻ मूलक उपस्थित असतो.
- 0: मूलद्रव्य ऑक्सिजनमध्ये (O₂).
- +1, +2: फक्त तेव्हाच पाहिले जाते जेव्हा ते फ्लोरीनला जोडलेले असते, जे अधिक इलेक्ट्रोनेगेटिव्ह असते (उदा. O₂F₂, OF₂).

बंधांचे वर्तन

ऑक्सिजनची उच्च विद्युतऋणता (पॉलिंग मापनश्रेणीवर 3.44) आणि लहान अणु आकार त्याच्या बंधांवर लक्षणीय परिणाम करतात.

सहसंयुज बंध

ऑक्सिजन प्रामुख्याने सहसंयुज बंध तयार करतो, स्थिर अष्टक प्राप्त करण्यासाठी इलेक्ट्रॉनची भागीदारी करतो.

एकल सहसंयुज बंध: ऑक्सिजन दोन एकल सहसंयुज बंध तयार करतो जेव्हा प्रत्येक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन दुसऱ्या अणूमधील इलेक्ट्रॉनशी जोडी करतो.
- उदाहरण: पाणी (H₂O)
  - ऑक्सिजन अणू sp³ संकरित होतो.
  - दोन sp³ संकरित कक्षक हायड्रोजन अणूंशी सिग्मा बंध तयार करतात.
  - उरलेल्या दोन sp³ संकरित कक्षांमध्ये एकाकी इलेक्ट्रॉन जोड्या असतात.
  - आकृती: एकाकी जोडी-बंध जोडी प्रतिकर्षणामुळे वाकलेला किंवा V-आकाराचा (बंध कोन ~104.5°).
दुहेरी सहसंयुज बंध: ऑक्सिजन दुसऱ्या अणूसोबत दोन इलेक्ट्रॉन जोड्या सामायिक करून दुहेरी बंध (एक सिग्मा आणि एक पाय बंध) तयार करू शकतो.
- उदाहरण: कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) O=C=O
  - केंद्रीय कार्बन sp संकरित आहे.
  - प्रत्येक ऑक्सिजन कार्बनसोबत दुहेरी बंध तयार करतो.
  - आकृती: रेखीय.
- उदाहरण: मूलद्रव्य ऑक्सिजन (O₂) O=O
  - दोन ऑक्सिजन अणूंना दुहेरी बंध जोडतो. तथापि, रेण्वीय कक्षक सिद्धांत (molecular orbital theory) त्याचे पॅराचुंबकीय स्वरूप (अँटीबॉन्डिंग π* कक्षांमध्ये दोन अयुग्मित इलेक्ट्रॉन) अधिक चांगल्या प्रकारे स्पष्ट करतो.
ओझोन (O₃):
- आंशिक दुहेरी बंध वैशिष्ट्यांसह अनुनाद संरचना (resonance structures) समाविष्ट करते.
- केंद्रीय ऑक्सिजन अणू sp² संकरित असतो.
- आकृती: वाकलेला (बंध कोन ~116.8°).

आयनिक बंध

ऑक्सिजन अत्यंत धनविद्युत धातूंशी (विशेषतः गट 1 आणि गट 2 धातू) दोन इलेक्ट्रॉन मिळवून ऑक्साइड आयन (O²⁻) तयार करून आयनिक बंध बनवतो.

O²⁻ ची निर्मिती:
- O (1s² 2s² 2p⁴) + 2e⁻ → O²⁻ (1s² 2s² 2p⁶) (निऑनशी समइलेक्ट्रॉनिक)
उदाहरणे:
- सोडियम ऑक्साइड (Na₂O): प्रत्येक एक O²⁻ आयनासाठी दोन Na⁺ आयन.
- मॅग्नेशियम ऑक्साइड (MgO): प्रत्येक एक O²⁻ आयनासाठी एक Mg²⁺ आयन.

सहनिर्देशक सहसंयुज बंध (डेटिव्ह बंध)

ऑक्सिजन, त्याच्या दोन एकाकी इलेक्ट्रॉन जोड्यांसह, इलेक्ट्रॉन जोडी दाता म्हणून कार्य करून सहनिर्देशक सहसंयुज बंध तयार करू शकतो.

उदाहरण: हायड्रोनियम आयन (H₃O⁺)
- पाण्यामध्ये (H₂O), ऑक्सिजन अणू त्याच्या एका एकाकी जोडीचा उपयोग प्रोटॉनसोबत (H⁺) सहनिर्देशक सहसंयुज बंध तयार करण्यासाठी करतो.
- H₃O⁺ मधील ऑक्सिजन अणू sp³ संकरित असतो आणि आयनची भूमिती त्रिकोणीय पिरॅमिडल असते.

हायड्रोजन बंध

त्याच्या उच्च विद्युतऋणता आणि लहान आकारामुळे, O-H बंधांमध्ये समाविष्ट असलेले ऑक्सिजन अणू मजबूत आंतररेण्वीय हायड्रोजन बंध तयार करू शकतात.

उदाहरण: पाणी (H₂O)
- पाण्याचा प्रत्येक रेणू शेजारील पाण्याच्या रेणूंशी चार हायड्रोजन बंध तयार करू शकतो, ज्यामुळे पाण्याच्या अद्वितीय गुणधर्मांमध्ये (उदा. उच्च उत्कलन बिंदू, पृष्ठभाग ताण) योगदान मिळते.

धातू बंध

ऑक्सिजन एक अधातू आहे आणि धातू बंध दर्शवत नाही. त्याचे अणू घन किंवा द्रव अवस्थेत कमकुवत आंतररेण्वीय बलांद्वारे (व्हॅन डर वाल्स बल) किंवा सहसंयुज बंधांद्वारे (O₂ किंवा O₃ प्रमाणे) एकत्र बांधलेले असतात.