காப்பர் (Cu): அணு அமைப்பு மற்றும் வேதிப் பிணைப்பு

அணு அளவுருக்களுக்கான அறிமுகம்

காப்பர் (Cu) என்பது தனிம அட்டவணையின் Group 11 மற்றும் Period 4 இல் அமைந்துள்ள ஒரு இடைநிலை உலோகம் ஆகும். இதன் அணு அமைப்பானது அதன் வேதிப் பண்புகளைத் தீர்மானிக்கிறது.

அணு எண் மற்றும் நிறை

• அணு எண் (Z): 29. இது ஒவ்வொரு காப்பர் அணுவிலும் 29 புரோட்டான்கள் இருப்பதை சுட்டிக்காட்டுகிறது.
• புரோட்டான்கள்: 29.
• எலக்ட்ரான்கள்: 29 (ஒரு நடுநிலை காப்பர் அணுவில்).
• அணு நிறை: சராசரி அணு நிறை தோராயமாக 63.55 amu ஆகும்.
• ஐசோடோப்புகள்: காப்பர் இயற்கையாகவே இரண்டு நிலையான ஐசோடோப்புகளாகக் காணப்படுகிறது:
  • காப்பர்-63 (⁶³Cu): 29 புரோட்டான்கள் மற்றும் 34 நியூட்ரான்களைக் கொண்டுள்ளது (63 - 29 = 34).
  • காப்பர்-65 (⁶⁵Cu): 29 புரோட்டான்கள் மற்றும் 36 நியூட்ரான்களைக் கொண்டுள்ளது (65 - 29 = 36).

துணைக்கூட்டு எலக்ட்ரான் அமைப்பு

காப்பரின் எலக்ட்ரான் அமைப்பானது ஆஃபா தத்துவத்திற்கு ஒரு முக்கிய விதிவிலக்கைக் காட்டுகிறது, இது மேம்பட்ட நிலைத்தன்மைக்கு வழிவகுக்கிறது.

திட்ட மற்றும் சுருக்கப்பட்ட குறியீடு

• திட்ட குறியீடு: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹
• சுருக்கப்பட்ட குறியீடு: [Ar] 3d¹⁰ 4s¹

எலக்ட்ரான் அமைப்பு விதிவிலக்கிற்கான விளக்கம்

ஆஃபா தத்துவத்தின் அடிப்படையில் எதிர்பார்க்கப்படும் அமைப்பு [Ar] 3d⁹ 4s² ஆக இருக்கும். இருப்பினும், அரை நிரப்பப்பட்ட (d⁵) அல்லது முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட (d¹⁰) d-துணைக்கூடு கூடுதல் நிலைத்தன்மையை அளிக்கிறது. காப்பரின் விஷயத்தில், ஒரு 4s ஆர்பிட்டாலில் இருந்து ஒரு எலக்ட்ரான் 3d ஆர்பிட்டாலுக்கு ஊக்குவிக்கப்பட்டு முழுமையாக நிரப்பப்பட்ட 3d¹⁰ அமைப்பை அடைகிறது, இதன் விளைவாக மிகவும் நிலையான [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ அமைப்பு உருவாகிறது.

ஆர்பிட்டால் வரைபட விளக்கம்

Cu இன் இணைதிறன் கூடுக்கான ஆர்பிட்டால் வரைபடம் (ஊக்குவிப்புக்குப் பிறகு):

4s¹       3d¹⁰
[ ↑ ]     [ ↑↓ ] [ ↑↓ ] [ ↑↓ ] [ ↑↓ ] [ ↑↓ ]

• பவுலி விலக்குக் கொள்கை: ஒவ்வொரு ஆர்பிட்டாலும் அதிகபட்சமாக எதிர் சுழற்சிகளுடன் கூடிய இரண்டு எலக்ட்ரான்களைக் கொண்டிருக்கும்.
• ஹுண்டின் விதி: எலக்ட்ரான்கள் இணைவதற்கு முன் ஒருபடித்தான ஆர்பிட்டால்களில் தனித்தனியாக நிரப்பப்படும்.
• ஆற்றல் நிலை நிரப்புதல்: ஆஃபா தத்துவத்தில் 3d க்கு முன் 4s ஆர்பிட்டால் நிரப்பப்படுகிறது, ஆனால் பரிமாற்ற ஆற்றல் (exchange energy) காரணிகளைக் கருத்தில் கொண்டு, நடுநிலை அணுவிற்கு 3d¹⁰ 4s¹ அமைப்பானது மிகவும் நிலையானது.

இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் இணைதிறன்

இணைதிறன் எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை மற்றும் பிணைப்பிற்கான அவற்றின் இருப்பு காப்பரின் பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைத் தீர்மானிக்கிறது.

இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள்

• அதன் அடிப்படை நிலையில், காப்பரில் ஒரு 4s எலக்ட்ரான் மற்றும் பத்து 3d எலக்ட்ரான்கள் உள்ளன.
• வெளிப்புற எலக்ட்ரான் 4s¹ எலக்ட்ரான் ஆகும். 3d¹⁰ எலக்ட்ரான்கள் ஒப்பீட்டளவில் நிலையானவை, ஆனால் குறிப்பாக அதிக ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளை உருவாக்கும் போது பிணைப்பில் பங்கேற்கலாம்.

பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள் (இணைதிறன்)

காப்பர் பொதுவாக இரண்டு பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளைக் காட்டுகிறது:

1. +1 (கியூப்ரஸ்): ஒற்றை 4s¹ எலக்ட்ரானை இழப்பதன் மூலம் உருவாகிறது. இதன் விளைவாக வரும் Cu⁺ அயனியில் நிலையான [Ar] 3d¹⁰ அமைப்பு உள்ளது.
   • எடுத்துக்காட்டு: Cu₂O (கியூப்ரஸ் ஆக்சைடு), CuCl (கியூப்ரஸ் குளோரைடு).
2. +2 (கியூப்ரிக்): 4s¹ எலக்ட்ரான் மற்றும் ஒரு 3d எலக்ட்ரானை இழப்பதன் மூலம் உருவாகிறது. இதன் விளைவாக வரும் Cu²⁺ அயனியில் [Ar] 3d⁹ அமைப்பு உள்ளது.
   • எடுத்துக்காட்டு: CuO (கியூப்ரிக் ஆக்சைடு), CuSO₄ (கியூப்ரிக் சல்ஃபேட்).
   • பரவல்: +2 ஆக்சிஜனேற்ற நிலையானது பொதுவாக நீர்மக் கரைசல்கள் மற்றும் பல திண்மச் சேர்மங்களில் +1 நிலையை விட நிலையானதாகவும் பொதுவானதாகவும் இருக்கும். இது திண்மச் சேர்மங்களில் அதிக படிக ஆற்றல் (lattice energy) மற்றும் நீர்மக் கரைசல்களில் அதிக நீரேற்ற ஆற்றல் (hydration energy) ஆகியவற்றுடன் தொடர்புடைய சிறிய, அதிக மின்னூட்டம் கொண்ட Cu²⁺ அயனியால் ஏற்படுகிறது, இது பெரும்பாலும் அதிக இரண்டாவது அயனியாக்கும் ஆற்றலுக்கு (second ionization energy) ஈடுசெய்கிறது.

குறைவான பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள்

• +3: அரிதானது, K₃[CuF₆] போன்ற அணைவுச் சேர்மங்களில் காணப்படுகிறது. இதன் அமைப்பு [Ar] 3d⁸ ஆக இருக்கும்.
• +4: மிகவும் அரிதானது, Cs₂[CuF₆] போன்ற அணைவுச் சேர்மங்களில் காணப்படுகிறது. இதன் அமைப்பு [Ar] 3d⁷ ஆக இருக்கும்.

பிணைப்பு நடத்தை

காப்பர் அதன் சூழலைப் பொறுத்து பல்வேறு வகையான பிணைப்புகளைக் காட்டுகிறது, அதன் தனிம நிலையில் முதன்மையாக உலோகப் பிணைப்பு மற்றும் அதன் சேர்மங்களில் அயனி, சகப்பிணைப்பு மற்றும் அணைவுப் பிணைப்புகளின் கலவை ஆகியவை அடங்கும்.

உலோகப் பிணைப்பு

• தனிம காப்பர்: அதன் திண்ம உலோக நிலையில், காப்பர் அணுக்கள் வலுவான உலோகப் பிணைப்புகளால் ஒன்றாகப் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. 4s¹ இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் நீக்கப்பட்ட நிலையில் (delocalized), நேர்மின் சுமையுடைய காப்பர் அயனிகளின் (Cu⁺) படிக அமைப்பின் (crystal lattice) வழியாக சுதந்திரமாக நகரும் “எலக்ட்ரான் கடல்” ஒன்றை உருவாக்குகின்றன.
• பண்புகள்: இந்த நீக்குதல் காப்பரின் சிறந்த மின் மற்றும் வெப்ப கடத்துத்திறன், தகடாக மாற்றும் தன்மை (malleability) மற்றும் கம்பியாக நீட்டும் தன்மை (ductility) ஆகியவற்றிற்குக் காரணமாகிறது.

அயனிப் பிணைப்பு

• காப்பர், குறிப்பாக அதிக எலக்ட்ரான் கவர்ச்சி கொண்ட தனிமங்களுடன், குறிப்பிடத்தக்க அயனித் தன்மையுடன் சேர்மங்களை உருவாக்குகிறது.
• Cu(I) சேர்மங்கள்:
  • எடுத்துக்காட்டு: Cu₂O (கியூப்ரஸ் ஆக்சைடு). காப்பர் ஒரு எலக்ட்ரானை இழந்து Cu⁺ ஐ உருவாக்குகிறது, ஆக்சிஜன் இரண்டு எலக்ட்ரான்களைப் பெற்று O²⁻ ஐ உருவாக்குகிறது. Cu₂O ஃபார்முலா மின்னூட்ட சமநிலையை பிரதிபலிக்கிறது.
  • எடுத்துக்காட்டு: CuCl (கியூப்ரஸ் குளோரைடு). Cu⁺ மற்றும் Cl⁻ அயனிகள்.
• Cu(II) சேர்மங்கள்:
  • எடுத்துக்காட்டு: CuO (கியூப்ரிக் ஆக்சைடு). காப்பர் இரண்டு எலக்ட்ரான்களை இழந்து Cu²⁺ ஐ உருவாக்குகிறது, ஆக்சிஜன் இரண்டு எலக்ட்ரான்களைப் பெற்று O²⁻ ஐ உருவாக்குகிறது.
  • எடுத்துக்காட்டு: CuSO₄ (கியூப்ரிக் சல்ஃபேட்). Cu²⁺ மற்றும் SO₄²⁻ அயனிகள்.
  • சகப்பிணைப்புத் தன்மை: இந்த “அயனி” சேர்மங்களில் கூட, குறிப்பாக Cu²⁺ அயனியுடன், பெரிய, துருவப்படுத்தக்கூடிய எதிர்மின் அயனிகள் (polarizable anions) மீது சிறிய, அதிக மின்னூட்டம் கொண்ட Cu²⁺ அயனியின் துருவப்படுத்தும் திறன் (polarizing power) காரணமாக ஒரு குறிப்பிடத்தக்க சகப்பிணைப்புத் தன்மை இருக்கலாம்.

அணைவுப் பிணைப்பு (அணைவுச் சேர்ம உருவாக்கம்)

காப்பர் ஒரு முதன்மையான இடைநிலை உலோகம் ஆகும், இது பல்வேறு ஈனிகளுடன் (ligands) பல நிலையான அணைவுச் சேர்மங்களை (coordination complexes) உருவாக்குகிறது.

• ஈனிகள் (Ligands): நடுநிலை அணு அல்லது அயனிக்கு எலக்ட்ரான் இணைகளை வழங்கி அணைவுப் பிணைப்புகளை உருவாக்கும் மூலக்கூறுகள் அல்லது அயனிகள் (எ.கா., NH₃, H₂O, CN⁻, Cl⁻, En).
• நடுநிலை உலோக அயனி: காப்பர் ஒரு லூயிஸ் அமிலம் (எலக்ட்ரான் இணை ஏற்பி) ஆக செயல்படுகிறது.
• பொதுவான வடிவங்கள் மற்றும் கலப்பினமாக்கல்:
  • Cu(I) அணைவுச் சேர்மங்கள்: பெரும்பாலும் நான்முகி அல்லது நேரியல்.
    • நான்முகி (sp³ கலப்பினமாக்கல்): எடுத்துக்காட்டு: [Cu(CN)₄]³⁻. Cu⁺ அயனி (3d¹⁰) நான்கு சயனைடு ஈனிகளிடமிருந்து நான்கு எலக்ட்ரான் இணைகளை ஏற்கிறது.
    • நேரியல் (sp கலப்பினமாக்கல்): எடுத்துக்காட்டு: [CuCl₂]⁻ அல்லது [Cu(CN)₂]⁻. Cu⁺ அயனி (3d¹⁰) இரண்டு எலக்ட்ரான் இணைகளை ஏற்கிறது.
  • Cu(II) அணைவுச் சேர்மங்கள்: பொதுவாக சதுரத் தள வடிவம், ஆனால் நான்முகி அல்லது எண்முகி (சிதைந்த) ஆகவும் இருக்கலாம்.
    • சதுரத் தள வடிவம் (dsp² கலப்பினமாக்கல்): இது பல Cu(II) அணைவுச் சேர்மங்களின் ஒரு சிறப்பியல்பு ஆகும் (இவற்றில் 3d⁹ அமைப்பு உள்ளது, இது எண்முகி அணைவுச் சேர்மங்களுக்கு ஜான்-டெல்லர் சிதைவுக்கு வழிவகுக்கிறது). எடுத்துக்காட்டு: [Cu(NH₃)₄]²⁺ (டெட்ராஅம்மின்காப்பர்(II) அயனி). Cu²⁺ அயனி (3d⁹) நான்கு அம்மோனியா ஈனிகளுடன் அணைவுப் பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது. இணைபடாத எலக்ட்ரான் பிணைப்பில் ஈடுபடாத ஒரு d ஆர்பிட்டாலில் உள்ளது.
    • சிதைந்த எண்முகி: 3d⁹ அமைப்பு காரணமாக, Cu(II) இன் எண்முகி அணைவுச் சேர்மங்கள் பொதுவாக ஜான்-டெல்லர் சிதைவுக்கு உள்ளாகி, நீட்டிக்கப்பட்ட அல்லது சுருக்கப்பட்ட அச்சுப் பிணைப்புகளை (axial bonds) உருவாக்குகின்றன. எடுத்துக்காட்டு: [Cu(H₂O)₆]²⁺ (ஹெக்ஸாஅக்குவாகாப்பர்(II) அயனி).
• நிறம்: பல காப்பர் அணைவுச் சேர்மங்கள் d-d எலக்ட்ரான் மாற்றங்கள் காரணமாக அடர் நிறங்களைக் கொண்டுள்ளன. எடுத்துக்காட்டாக, [Cu(H₂O)₆]²⁺ நீல நிறத்திலும், [Cu(NH₃)₄]²⁺ அடர் நீல நிறத்திலும் இருக்கும்.