இரும்பு (Fe): அணு அமைப்பு மற்றும் வேதியியல் பிணைப்பு

அணு அளவுருக்களின் அறிமுகம்

இரும்பு (Fe) ஒரு இடைநிலை உலோகம் ஆகும், இதன் அணு எண் 26.

• அணு எண் (Z): 26 (அணுக்கருவில் உள்ள புரோட்டான்களின் எண்ணிக்கை).
• புரோட்டான்கள்: 26
• எலக்ட்ரான்கள்: 26 (ஒரு நடுநிலை அணுவில்)
• நியூட்ரான்கள்: பொதுவாகக் காணப்படும் ஐசோடோப்பான $^\{56\}\text\{Fe\}$ இல், நியூட்ரான்களின் எண்ணிக்கை நிறை எண் (A) - அணு எண் (Z) = 56 - 26 = 30 ஆகும்.
• ஒப்பு அணு நிறை: 55.845 u (அணு நிறை அலகுகள்).

துணைக்கூடு எலக்ட்ரான் அமைப்பு

இரும்பு (Fe) இன் அடிப்படை நிலையில் உள்ள எலக்ட்ரான் அமைப்பு ஆஃப்காவ் கொள்கை, ஹண்டின் அதிகபட்ச பன்மைத்தன்மை விதி மற்றும் பாலி விலக்குக் கொள்கை ஆகியவற்றைப் பின்பற்றுகிறது.

• முழு நிறமாலை குறியீடு: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$
• உன்னத வாயு குறியீடு: $[\text\{Ar\}] 4s^2 3d^6$

எலக்ட்ரான்கள் சுற்றுப்பாதைகளை நிரப்பும் விதம் பின்வருமாறு:

• $1s$: 2 எலக்ட்ரான்கள்
• $2s$: 2 எலக்ட்ரான்கள்
• $2p$: 6 எலக்ட்ரான்கள்
• $3s$: 2 எலக்ட்ரான்கள்
• $3p$: 6 எலக்ட்ரான்கள்
• $4s$: 2 எலக்ட்ரான்கள்
• $3d$: 6 எலக்ட்ரான்கள் (ஆஃப்காவ் கொள்கையின்படி, $4s$ சுற்றுப்பாதை $3d$ சுற்றுப்பாதைக்கு முன் நிரம்புகிறது, ஆனால் $4s$ நிரம்பிய பிறகு $3d$ குறைந்த ஆற்றலில் உள்ளது, எனவே சுருக்கப்பட்ட குறியீட்டில் $3d$ ஐ $4s$ க்கு முன் எழுதலாம், ஆனால் $4s^2 3d^6$ வெளிப்புற கூட்டை முதலில் சரியாகக் காட்டுகிறது.)

சுற்றுப்பாதை வரைபடம் (இணைதிறன் கூடு): இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் வெளிப்புற $4s$ மற்றும் பகுதி நிரம்பிய $3d$ சுற்றுப்பாதைகளில் உள்ளன.

$4s$: $\underline\{\uparrow\downarrow\}$ $3d$: $\underline\{\uparrow\downarrow\}\ \underline\{\uparrow\}\ \underline\{\uparrow\}\ \underline\{\uparrow\}\ \underline\{\uparrow\}$ ($3d$ இல் ஒரு ஜோடி எலக்ட்ரான், நான்கு தனி எலக்ட்ரான்கள்)

இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் இணைதிறன்

இரும்பு போன்ற இடைநிலை உலோகங்களுக்கு, $ns$ எலக்ட்ரான்களுடன் கூடுதலாக $(n-1)d$ எலக்ட்ரான்களும் பிணைப்பில் ஈடுபடுகின்றன.

• இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள்: $4s^2$ எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் $3d^6$ எலக்ட்ரான்கள் வேதியியல் பண்புகளுக்கு பங்களிக்கின்றன.
• பொதுவான ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள்:
  • +2 (ஃபெரஸ்): $\text\{Fe\}^\{2+\}$ அயனி. இரண்டு $4s$ எலக்ட்ரான்களை இழந்ததன் மூலம் உருவாகிறது.
    • எலக்ட்ரான் அமைப்பு: $[\text\{Ar\}] 3d^6$
    • இந்த நிலை பொதுவானது மற்றும் ஒப்பீட்டளவில் நிலையானது.
  • +3 (ஃபெர்ரிக்): $\text\{Fe\}^\{3+\}$ அயனி. இரண்டு $4s$ எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் ஒரு $3d$ எலக்ட்ரானை இழந்ததன் மூலம் உருவாகிறது.
    • எலக்ட்ரான் அமைப்பு: $[\text\{Ar\}] 3d^5$
    • பகுதி நிரம்பிய $3d$ துணைக்கூடு காரணமாக இந்த நிலை மிகவும் நிலையானது, இது கூடுதல் நிலைத்தன்மையை வழங்குகிறது.
  • பிற ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகள்: குறைந்த பொதுவான ஆனால் கவனிக்கப்பட்ட நிலைகளில் +4 மற்றும் +6 ஆகியவை அடங்கும் (எ.கா., ஃபெரேட்டுகளில், $\text\{FeO\}_4^\{2-\}$), குறிப்பாக ஆக்ஸிஜன் போன்ற அதிக எலக்ட்ரான் எதிர்மறை தனிமங்களுடன். இருப்பினும், +2 மற்றும் +3 ஆகியவை உயர்நிலைப் பள்ளி மட்டத்திற்கு மிகவும் பரவலான மற்றும் முக்கியமானவை.

பிணைப்பு நடத்தை

இரும்பு அதன் வேதியியல் சூழலைப் பொறுத்து பல்வேறு பிணைப்பு நடத்தைகளை வெளிப்படுத்துகிறது.

1. உலோகப் பிணைப்பு

• அதன் தனிம நிலையில், இரும்பு ஒரு உலோக அடுக்கை உருவாக்குகிறது.
• இணைதிறன் எலக்ட்ரான்கள் ( $4s$ மற்றும் $3d$ சுற்றுப்பாதைகளிலிருந்து) பரவலாகி, நேர்மறை உலோக அயனிகளை ஒன்றாக வைத்திருக்கும் “எலக்ட்ரான்களின் கடலை” உருவாக்குகின்றன.
• இந்த வலுவான உலோகப் பிணைப்பு இரும்பின் சிறப்பியல்பு பண்புகளுக்குக் காரணமாகும்: உயர் உருகுநிலை, அதிக அடர்த்தி, நல்ல மின் மற்றும் வெப்ப கடத்துத்திறன், மற்றும் தகடாக்கும் தன்மை/கம்பியாக்கும் தன்மை.

2. அயனிப் பிணைப்பு

• இரும்பு அயனி சேர்மங்களை உருவாக்குகிறது, குறிப்பாக அதிக எலக்ட்ரான் எதிர்மறை அலோகங்களுடன்.
• இந்த சேர்மங்களில், Fe எலக்ட்ரான்களை இழந்து $\text\{Fe\}^\{2+\}$ அல்லது $\text\{Fe\}^\{3+\}$ கேட்டயன்களை உருவாக்குகிறது, அவை பின்னர் அனயன்களுடன் நிலைமின்னியல் பிணைப்புகளை உருவாக்குகின்றன.
• எடுத்துக்காட்டுகள்:
  • ஃபெரஸ் குளோரைடு ($\text\{FeCl\}_2$): $\text\{Fe\}^\{2+\}$ மற்றும் $\text\{Cl\}^-$ அயனிகள்.
  • ஃபெர்ரிக் குளோரைடு ($\text\{FeCl\}_3$): $\text\{Fe\}^\{3+\}$ மற்றும் $\text\{Cl\}^-$ அயனிகள்.
  • ஃபெரஸ் ஆக்சைடு ($\text\{FeO\}$): $\text\{Fe\}^\{2+\}$ மற்றும் $\text\{O\}^\{2-\}$ அயனிகள்.
  • ஃபெர்ரிக் ஆக்சைடு ($\text\{Fe\}_2\text\{O\}_3$): $\text\{Fe\}^\{3+\}$ மற்றும் $\text\{O\}^\{2-\}$ அயனிகள்.

3. சகப்பிணைப்புத் தன்மை மற்றும் ஈதல் சகப்பிணைப்பு

• பல எளிய சேர்மங்களில் பெரும்பாலும் அயனிப் பிணைப்பு இருந்தாலும், இரும்பு சேர்மங்கள், குறிப்பாக அதிக ஆக்சிஜனேற்ற நிலைகளில் அல்லது அணைவுச் சேர்மங்களை உருவாக்கும் போது, குறிப்பிடத்தக்க சகப்பிணைப்புத் தன்மையைக் காட்டலாம்.
• ஈதல் சகப்பிணைப்பு அணைவுச் சேர்மங்கள்: இரும்பு ஒரு இடைநிலை உலோகத்திற்கு ஒரு உன்னதமான எடுத்துக்காட்டு, இது பல நிலையான ஈதல் சகப்பிணைப்பு அணைவுச் சேர்மங்களை உருவாக்குகிறது. இந்த அணைவுச் சேர்மங்களில், மைய இரும்பு அணு ஒரு லூயிஸ் அமிலமாக செயல்படுகிறது, ஈனிகளிலிருந்து (லூயிஸ் காரங்கள்) எலக்ட்ரான் இணைகளை ஏற்று ஈதல் சகப்பிணைப்புகளை உருவாக்குகிறது.
• படிக புலம் கோட்பாடு (CFT) தொடர்பு: இரும்பு அணைவுச் சேர்மங்களின் பிணைப்பு மற்றும் பண்புகள் (எ.கா., நிறம், காந்தத் திருப்புத்திறன்) பெரும்பாலும் CFT ஐப் பயன்படுத்தி விளக்கப்படுகின்றன, இது மைய உலோக அயனியின் $d$-சுற்றுப்பாதைகளுக்கும் ஈனிகளுக்கும் இடையிலான தொடர்புகளை விவரிக்கிறது.
• கலப்பினமயமாக்கல் மற்றும் வடிவியல்:
  • எண்முக வடிவியல்: Fe அணைவுச் சேர்மங்களுக்கு மிகவும் பொதுவான வடிவியல்.
  • உள் சுற்றுப்பாதை அணைவுச் சேர்மங்கள் ($d^2sp^3$ கலப்பினமயமாக்கல்): வலுவான ஈனித் தொகுதிகள் (எ.கா., $\text\{CN\}^-$) மூலம் நிகழ்கிறது, இது $3d$ எலக்ட்ரான்களை இணைக்குமாறு செய்கிறது, இதனால் இரண்டு $3d$ சுற்றுப்பாதைகள் கலப்பினமயமாக்கலுக்கு கிடைக்கின்றன.
    • எடுத்துக்காட்டு: ஹெக்ஸாசயனோஃபெர்ரேட்(II) அயனி, $[\text\{Fe\}(\text\{CN\})_6]^\{4-\}$. இங்கு, $\text\{Fe\}^\{2+\}$ ($3d^6$) ஒரு உள் சுற்றுப்பாதை எண்முக அணைவுச் சேர்மத்தை உருவாக்குகிறது.
  • வெளி சுற்றுப்பாதை அணைவுச் சேர்மங்கள் ($sp^3d^2$ கலப்பினமயமாக்கல்): பலவீனமான ஈனித் தொகுதிகள் (எ.கா., $\text\{F\}^-$) மூலம் நிகழ்கிறது, இது $3d$ எலக்ட்ரான்களை இணைக்குமாறு செய்யாது, இதனால் $4d$ சுற்றுப்பாதைகள் கலப்பினமயமாக்கலுக்குப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
    • எடுத்துக்காட்டு: ஹெக்ஸாஃப்ளூரோஃபெர்ரேட்(III) அயனி, $[\text\{FeF\}_6]^\{3-\}$. இங்கு, $\text\{Fe\}^\{3+\}$ ($3d^5$) ஒரு வெளி சுற்றுப்பாதை எண்முக அணைவுச் சேர்மத்தை உருவாக்குகிறது.