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Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Molecular Structure and Chemical Bonding आणविक संरचना और रासायनिक आबंधन (Molecular Structure and Chemical Bonding)

Molecules are formed by the chemical combination of two or more atoms held together by covalent, ionic, or metallic bonds. Molecular geometry and stability are governed by electron-pair repulsions, orbital overlap, and energetic considerations. अणु दो या दो से अधिक परमाणुओं के रासायनिक संयोजन से बनते हैं, जो सहसंयोजक (covalent), आयनिक (ionic) या धात्विक (metallic) बंधों द्वारा जुड़े होते हैं। आणविक ज्यामिति और स्थिरता इलेक्ट्रॉन-युग्म प्रतिकर्षण, कक्षक अतिव्यापन (orbital overlap) और ऊर्जा संबंधी विचारों द्वारा निर्धारित होती है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory संयोजकता कोश इलेक्ट्रॉन युग्म प्रतिकर्षण सिद्धांत (VSEPR Theory)

  • VSEPR theory states that electron pairs around a central atom arrange themselves to minimize electrostatic repulsion.
  • Repulsion order follows the sequence: Lone pair-Lone pair > Lone pair-Bond pair > Bond pair-Bond pair.
  • The presence of lone pairs distorts the ideal geometry, reducing bond angles compared to regular symmetrical structures.
  • Multiple bonds are treated as a single electron domain equivalent to a single bond for primary geometry determination.
  • VSEPR सिद्धांत के अनुसार, केंद्रीय परमाणु के चारों ओर इलेक्ट्रॉन युग्म स्वयं को इस प्रकार व्यवस्थित करते हैं कि स्थिरवैद्युत प्रतिकर्षण न्यूनतम हो।
  • प्रतिकर्षण का क्रम इस प्रकार है: एकाकी युग्म-एकाकी युग्म (Lone pair-Lone pair) > एकाकी युग्म-आबंध युग्म (Lone pair-Bond pair) > आबंध युग्म-आबंध युग्म (Bond pair-Bond pair)।
  • एकाकी युग्मों की उपस्थिति आदर्श ज्यामिति को विकृत कर देती है, जिससे नियमित सममित संरचनाओं की तुलना में आबंध कोण कम हो जाते हैं।
  • प्राथमिक ज्यामिति निर्धारण के लिए बहु-आबंधों (multiple bonds) को एकल आबंध के समान ही एक इलेक्ट्रॉन डोमेन माना जाता है।

Valence Bond Theory and Hybridization संयोजकता आबंध सिद्धांत और संकरण (Valence Bond Theory and Hybridization)

  • Valence Bond Theory explains covalent bond formation through the overlapping of half-filled atomic orbitals.
  • Hybridization involves the mixing of atomic orbitals of comparable energies to form new degenerate hybrid orbitals.
  • An sp3 hybridization corresponds to a tetrahedral geometry with an ideal bond angle of 109.5°.
  • Sideways overlap of unhybridized p-orbitals forms weaker π-bonds, whereas head-on overlap forms strong σ-bonds.
  • संयोजकता आबंध सिद्धांत (VBT) अर्ध-पूरित परमाणु कक्षकों के अतिव्यापन के माध्यम से सहसंयोजक आबंध निर्माण की व्याख्या करता है।
  • संकरण (Hybridization) में समान ऊर्जा वाले परमाणु कक्षकों का मिश्रण होकर नए समभ्रंश (degenerate) संकर कक्षक बनते हैं।
  • sp3 संकरण एक चतुष्फलकीय (tetrahedral) ज्यामिति के अनुरूप होता है, जिसका आदर्श आबंध कोण 109.5° होता है।
  • असंकरित p-कक्षकों का पार्श्व अतिव्यापन (sideways overlap) कमजोर π-आबंध बनाता है, जबकि सम्मुख अतिव्यापन (head-on overlap) मजबूत σ-आबंध बनाता है।

Molecular Orbital Theory आणविक कक्षक सिद्धांत (Molecular Orbital Theory)

  • Molecular Orbital Theory considers electrons as being delocalized over the entire molecular framework.
  • Atomic orbitals combine linearly (LCAO) to form equal numbers of bonding and anti-bonding molecular orbitals.
  • A higher bond order indicates greater bond strength and shorter bond length in diatomic molecules.
  • Species with unpaired electrons exhibit paramagnetic behavior, while those with paired electrons are diamagnetic.
  • आणविक कक्षक सिद्धांत (MOT) इलेक्ट्रॉनों को पूरे आणविक ढांचे पर विस्थानीकृत (delocalized) मानता है।
  • परमाणु कक्षक रैखिक रूप से संयोजित (LCAO) होकर समान संख्या में आबंधी (bonding) और प्रति-आबंधी (anti-bonding) आणविक कक्षक बनाते हैं।
  • उच्च आबंध कोटि (bond order) द्विपरमाणुक अणुओं में अधिक आबंध सामर्थ्य और कम आबंध लंबाई को दर्शाती है।
  • अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों वाली प्रजातियां अनुचुंबकीय (paramagnetic) व्यवहार प्रदर्शित करती हैं, जबकि युग्मित इलेक्ट्रॉनों वाली प्रजातियां प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) होती हैं।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Dipole Moment द्विध्रुव आघूर्ण (Dipole Moment)
μ = q × d
Conditions: Applies to polar molecules to measure charge separation
शर्तें: आवेश पृथक्करण को मापने के लिए ध्रुवीय अणुओं पर लागू होता है।
इकाइयाँ: डेबाई (Debye - D)
Bond Order (MOT) आबंध कोटि (Bond Order - MOT)
Bond Order = Nb - Na2
Conditions: Applied to diatomic species using Molecular Orbital Theory
शर्तें: आणविक कक्षक सिद्धांत का उपयोग करते हुए द्विपरमाणुक प्रजातियों पर लागू होता है।
इकाइयाँ: विमाहीन (Dimensionless)
Percentage Ionic Character प्रतिशत आयनिक लक्षण (Percentage Ionic Character)
% Ionic Character = ( μobsμcalc ) × 100
Conditions: Calculated for polar covalent bonds
शर्तें: ध्रुवीय सहसंयोजक आबंधों के लिए गणना की जाती है।
इकाइयाँ: प्रतिशत (%)
Formal Charge औपचारिक आवेश (Formal Charge)
FC = V - N - ½ B
Conditions: Applied to individual atoms in a Lewis structure to determine the most stable resonance form
शर्तें: सबसे स्थिर अनुनाद रूप निर्धारित करने के लिए लुईस संरचना में व्यक्तिगत परमाणुओं पर लागू होता है।
इकाइयाँ: विमाहीन (आवेश इकाई)
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Expected bond angle in hydrides of group 15 is 90° according to pure p-orbital overlap.शुद्ध p-कक्षक अतिव्यापन के अनुसार समूह 15 के हाइड्राइड्स में अपेक्षित आबंध कोण 90° होता है।

Observation: NH3 has a bond angle of 107° and PH3 approaches 93.6°. — Drago's rule indicates that hybridization does not occur when the central atom belongs to period 3 or lower with electronegativity less than 2.5. प्रेक्षण: NH3 का आबंध कोण 107° और PH3 का 93.6° के करीब होता है। ड्रैगो का नियम (Drago's rule) बताता है कि जब केंद्रीय परमाणु आवर्त 3 या उससे नीचे का हो और विद्युत ऋणात्मकता 2.5 से कम हो, तो संकरण नहीं होता है।

Exceptionअपवाद Higher electronegativity difference implies higher ionic character and higher melting point.उच्च विद्युत ऋणात्मकता अंतर का अर्थ उच्च आयनिक लक्षण और उच्च गलनांक होता है।

Observation: BeCl2 and AlCl3 exhibit covalent character and low melting points despite significant electronegativity differences. — Fajans' rules dictate that high positive charge density and small cation size polarize the electron cloud of the anion. प्रेक्षण: BeCl2 और AlCl3 महत्वपूर्ण विद्युत ऋणात्मकता अंतर के बावजूद सहसंयोजक लक्षण और कम गलनांक प्रदर्शित करते हैं। फायान्स के नियम (Fajans' rules) के अनुसार, उच्च धनात्मक आवेश घनत्व और छोटा धनायन आकार ऋणायन के इलेक्ट्रॉन बादल को ध्रुवित कर देते हैं।

Exceptionअपवाद Bond order correlates directly with bond length across all diatomic molecules.आबंध कोटि सभी द्विपरमाणुक अणुओं में आबंध लंबाई के साथ सीधे संबंधित होती है।

Observation: O22- (peroxide ion) has a bond order of 1.0 with a long bond length, whereas species like carbon monoxide exhibit high bond orders and exceptionally short bonds. — Variations in nuclear charge and anti-bonding electron occupancy disrupt uniform inverse correlations. प्रेक्षण: O2^2- (परॉक्साइड आयन) की आबंध कोटि 1.0 है और आबंध लंबाई अधिक है, जबकि कार्बन मोनोऑक्साइड जैसी प्रजातियों में उच्च आबंध कोटि और असाधारण रूप से छोटे आबंध होते हैं। नाभिकीय आवेश और प्रति-आबंधी इलेक्ट्रॉन अधिभोग में भिन्नता इस व्युत्क्रमानुपाती संबंध को बाधित करती है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Total Valence Electron (TVE) Rule for Hybridizationसंकरण के लिए कुल संयोजी इलेक्ट्रॉन (TVE) नियम
Sum TVE / 8 (if ≤ 8) or Sum TVE / 2

Application: Use the quotient to determine steric number and assign hybridization: 2=sp, 3=sp2, 4=sp3, 5=sp3d, 6=sp3d2. अनुप्रयोग: भागफल का उपयोग स्टेरिक संख्या निर्धारित करने और संकरण निर्दिष्ट करने के लिए करें: 2=sp, 3=sp2, 4=sp3, 5=sp3d, 6=sp3d2।

MOT Bond Order Fast Track for Diatomicsद्विपरमाणुक अणुओं के लिए MOT आबंध कोटि शॉर्टकट
Count total electrons: 14 e- = 3.0, add/subtract 0.5 for each electron away from 14.

Application: Instantly find bond order for species from 10 to 18 electrons without drawing molecular orbital diagrams. अनुप्रयोग: आणविक कक्षक आरेख बनाए बिना 10 से 18 इलेक्ट्रॉनों वाली प्रजातियों के लिए तुरंत आबंध कोटि ज्ञात करें।

Dipole Moment Symmetry Trickद्विध्रुव आघूर्ण सममिति ट्रिक
If central atom has 0 lone pairs and all identical terminal atoms, μ = 0.

Application: Quickly identify non-polar molecules like CO2, BF3, CCl4, and SF6. अनुप्रयोग: CO2, BF3, CCl4 और SF6 जैसे अध्रुवीय अणुओं की तुरंत पहचान करें।

⚖️ Valence Bond Theory vs Molecular Orbital Theory ⚖️ संयोजकता आबंध सिद्धांत (VBT) बनाम आणविक कक्षक सिद्धांत (MOT)
FeatureविशेषताValence Bond Theory (VBT)संयोजकता आबंध सिद्धांत (VBT)Molecular Orbital Theory (MOT)आणविक कक्षक सिद्धांत (MOT)
Electron Localizationइलेक्ट्रॉन स्थानीकरणLocalized between specific bonded atomsविशिष्ट आबंधित परमाणुओं के बीच स्थानीयकृतDelocalized over the entire moleculeपूरे अणु पर विस्थानीकृत
Magnetic Propertyचुंबकीय गुणFails to explain paramagnetism in some molecules (e.g., O2)कुछ अणुओं (जैसे O2) में अनुचुंबकत्व समझाने में विफलAccurately predicts paramagnetism via unpaired electronsअयुग्मित इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से अनुचुंबकत्व की सटीक भविष्यवाणी
ResonanceअनुनादRequired to explain experimental bond lengthsप्रायोगिक आबंध लंबाई समझाने के लिए आवश्यकNot required; accounts for delocalization nativelyआवश्यक नहीं; विस्थानीकरण को स्वतः समाहित करता है
BasisआधारAtomic orbital overlapपरमाणु कक्षक अतिव्यापनLinear combination of atomic orbitals (LCAO)परमाणु कक्षकों का रैखिक संयोजन (LCAO)
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • The bond angle in H2O is 104.5° due to two lone pair-bond pair repulsions compressing the tetrahedral angle.
  • PCl5 adopts a trigonal bipyramidal geometry with equatorial bonds shorter than axial bonds.
  • SF4 has a see-saw molecular geometry with one equatorial lone pair.
  • XeF4 possesses a square planar geometry with two lone pairs positioned trans to each other.
  • The superoxide ion (O2-) has a bond order of 1.5 and is paramagnetic.
  • Benzene exhibits resonance where all carbon-carbon bonds are equivalent with a bond order of 1.5.
  • H2O में आबंध कोण 104.5° होता है क्योंकि दो एकाकी युग्म-आबंध युग्म प्रतिकर्षण चतुष्फलकीय कोण को संकुचित कर देते हैं।
  • PCl5 त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय (trigonal bipyramidal) ज्यामिति अपनाता है जिसमें निरक्षीय (equatorial) आबंध अक्षीय (axial) आबंधों से छोटे होते हैं।
  • SF4 की आणविक ज्यामिति सी-सॉ (see-saw) होती है जिसमें एक निरक्षीय एकाकी युग्म होता है।
  • XeF4 में वर्ग समतलीय (square planar) ज्यामिति होती है जिसमें दो एकाकी युग्म एक-दूसरे के ट्रांस (trans) स्थित होते हैं।
  • सुपरऑक्साइड आयन (O2-) की आबंध कोटि 1.5 है और यह अनुचुंबकीय है।
  • बेंजीन में अनुनाद होता है जहाँ सभी कार्बन-कार्बन आबंध समान होते हैं और आबंध कोटि 1.5 होती है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Assuming all molecules with polar bonds are polar overall; symmetric geometries cancel dipole moments.
  • Confusing electronic geometry with molecular geometry when lone pairs are present on the central atom.
  • Forgetting that d-orbitals are involved in expanded octet molecules like SF6 (sp3d2).
  • Applying MOT electron configuration rules to heteronuclear diatomics without energy level adjustments.
  • यह मान लेना कि ध्रुवीय आबंध वाले सभी अणु कुल मिलाकर ध्रुवीय होते हैं; सममित ज्यामिति द्विध्रुव आघूर्ण को निरस्त कर देती है।
  • केंद्रीय परमाणु पर एकाकी युग्म होने पर इलेक्ट्रॉनिक ज्यामिति को आणविक ज्यामिति के साथ भ्रमित करना।
  • यह भूल जाना कि SF6 (sp3d2) जैसे विस्तारित अष्टक (expanded octet) अणुओं में d-कक्षक शामिल होते हैं।
  • ऊर्जा स्तर समायोजन के बिना विषम-नाभिकीय (heteronuclear) द्विपरमाणुक अणुओं पर MOT इलेक्ट्रॉन विन्यास नियमों को लागू करना।