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Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Hybridisation संकरण (Hybridisation)

Hybridisation is the quantum mechanical concept of mixing atomic orbitals of comparable energies to form new degenerate hybrid orbitals. It determines the characteristic geometry and bond angles of covalent molecules. संकरण (Hybridisation) समान ऊर्जा वाले परमाणु कक्षकों (atomic orbitals) के आपस में मिश्रित होकर नई समान ऊर्जा वाली संकर कक्षकों (hybrid orbitals) के निर्माण की एक क्वांटम यांत्रिक अवधारणा है। यह सहसंयोजक अणुओं (covalent molecules) की विशिष्ट ज्यामिति और बंध कोणों को निर्धारित करता है।

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

Types of Hybridisation and Geometries संकरण के प्रकार और ज्यामिति

  • sp hybridisation involves one s and one p orbital, yielding a linear geometry with a bond angle of 180° (e.g., BeCl2, C2H2).
  • sp2 hybridisation involves one s and two p orbitals, resulting in a trigonal planar geometry with a bond angle of 120° (e.g., BF3, C2H4).
  • sp3 hybridisation involves one s and three p orbitals, forming a tetrahedral geometry with a bond angle of 109.5° (e.g., CH4, NH4+).
  • sp3d and sp3d2 hybridisations generate trigonal bipyramidal (90°, 120°) and octahedral (90°) geometries respectively.
  • sp संकरण में एक s और एक p कक्षक शामिल होते हैं, जो 180° के बंध कोण के साथ रैखिक (linear) ज्यामिति प्रदान करते हैं (जैसे, BeCl2, C2H2)।
  • sp2 संकरण में एक s और दो p कक्षक शामिल होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप 120° के बंध कोण के साथ त्रिकोणीय समतलीय (trigonal planar) ज्यामिति प्राप्त होती है (जैसे, BF3, C2H4)।
  • sp3 संकरण में एक s और तीन p कक्षक शामिल होते हैं, जो 109.5° के बंध कोण के साथ चतुष्फलकीय (tetrahedral) ज्यामिति बनाते हैं (जैसे, CH4, NH4+)।
  • sp3d और sp3d2 संकरण क्रमशः त्रिकोणीय द्वि-पिरामिडी (90°, 120°) और अष्टफलकीय (90°) ज्यामिति उत्पन्न करते हैं।

Effect of Lone Pairs on Bond Angles बंध कोणों पर एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म (Lone Pairs) का प्रभाव

  • According to VSEPR theory, lone pair-lone pair repulsions are greater than lone pair-bond pair, which in turn exceed bond pair-bond pair repulsions.
  • In ammonia (NH3), the presence of one lone pair compresses the H-N-H bond angle from the ideal tetrahedral 109.5° to 107°.
  • In water (H2O), two lone pairs compress the H-O-H bond angle further down to 104.5°.
  • Lone pairs prefer to occupy equatorial positions in trigonal bipyramidal geometries to minimize 90° repulsions.
  • VSEPR सिद्धांत के अनुसार, एकाकी युग्म-एकाकी युग्म (lone pair-lone pair) प्रतिकर्षण, एकाकी युग्म-बंध युग्म (lone pair-bond pair) से अधिक होता है, जो स्वयं बंध युग्म-बंध युग्म (bond pair-bond pair) प्रतिकर्षण से अधिक होता है।
  • अमोनिया (NH3) में, एक एकाकी युग्म की उपस्थिति H-N-H बंध कोण को आदर्श चतुष्फलकीय 109.5° से घटाकर 107° कर देती है।
  • जल (H2O) में, दो एकाकी युग्म H-O-H बंध कोण को और अधिक घटाकर 104.5° कर देते हैं।
  • 90° के प्रतिकर्षण को कम करने के लिए एकाकी युग्म त्रिकोणीय द्वि-पिरामिडी ज्यामिति में भूमध्यरेखीय (equatorial) स्थितियों पर रहना पसंद करते हैं।

Bent's Rule and Orbital Characteristics बेंट का नियम (Bent's Rule) और कक्षक विशेषताएँ

  • Bent's rule states that s-character concentrates in orbitals directed toward electropositive substituents, while p-character concentrates toward electronegative substituents.
  • In molecules like CH3F, the highly electronegative fluorine atom withdraws p-character, leaving more s-character in the C-H bonds.
  • Hypervalent molecules involving d-orbitals utilize sp3d or sp3d2 hybridisation where d-orbitals involved are typically dz2 and dx2-y2.
  • Molecules with multiple bonds treat the π-bonds as separate from the hybridisation state, which is solely dictated by σ-bonds and lone pairs.
  • बेंट का नियम बताता है कि s-लक्षण उन कक्षकों में केंद्रित होते हैं जो विद्युत धनात्मक प्रतिस्थापियों (electropositive substituents) की ओर निर्देशित होते हैं, जबकि p-लक्षण विद्युत ऋणात्मक प्रतिस्थापियों की ओर केंद्रित होते हैं।
  • CH3F जैसे अणुओं में, अत्यधिक विद्युत ऋणात्मक फ्लोरीन परमाणु p-लक्षण को खींच लेता है, जिससे C-H बंधों में अधिक s-लक्षण शेष रह जाता है।
  • d-कक्षकों वाले अतिसंयोजी (hypervalent) अणु sp3d या sp3d2 संकरण का उपयोग करते हैं जहाँ शामिल d-कक्षक आमतौर पर dz2 और dx2-y2 होते हैं।
  • बहु-बंध वाले अणु π-बंधों को संकरण अवस्था से अलग मानते हैं, जो केवल σ-बंधों और एकाकी युग्मों द्वारा निर्धारित होती है।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Total Valence Electron Method कुल संयोजी इलेक्ट्रॉन विधि (Total Valence Electron Method)
V = Va + Vb - c + a2
Conditions: Used to determine hybridization and electron pairs where Va is valence electrons of central atom, Vb is monovalent atoms, c is positive charge, a is negative charge
शर्तें: संकरण और इलेक्ट्रॉन युग्मों को निर्धारित करने के लिए प्रयुक्त; Va केंद्रीय परमाणु के संयोजी इलेक्ट्रॉन हैं, Vb एकसंयोजी परमाणु हैं, c धनात्मक आवेश है, a ऋणात्मक आवेश है।
इकाइयाँ: लागू नहीं
Percentage s-character प्रतिशत s-लक्षण (Percentage s-character)
% s = ( Number of s orbitalsTotal hybrid orbitals ) × 100
Conditions: For sp (50%), sp2 (33.3%), sp3 (25%)
शर्तें: sp (50%), sp2 (33.3%), sp3 (25%) के लिए।
इकाइयाँ: प्रतिशत (%)
Bond Angle vs s-character relationship बंध कोण बनाम s-लक्षण संबंध (Bond Angle vs s-character relationship)
\cos(θ) = ss - 1 (Bent's Rule application)
Conditions: Relates s-character with bond angle in non-equivalent hybrid orbitals
शर्तें: गैर-समान संकर कक्षकों में बंध कोण के साथ s-लक्षण को जोड़ता है (बेंट के नियम का अनुप्रयोग)।
इकाइयाँ: लागू नहीं
Steric Number Calculation स्टेरिक संख्या गणना (Steric Number Calculation)
SN = Number of σ bonds + Number of lone pairs on central atom
Conditions: Applicable to neutral molecules, ions, and coordination complexes
शर्तें: उदासीन अणुओं, आयनों और समन्वय संकुलों (coordination complexes) पर लागू।
इकाइयाँ: लागू नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद PH3 and H2S molecules are expected to exhibit sp3 hybridisation with bond angles near 109.5°.PH3 और H2S अणुओं में 109.5° के निकट बंध कोणों के साथ sp3 संकरण प्रदर्शित होने की अपेक्षा की जाती है।

Observation: Bond angles in PH3 (93.8°) and H2S (92.1°) are close to 90°. — Drago's Rule states that for central atoms of group 15 and 16 from period 3 onwards, electronegativity is low, and molecules form using nearly pure unhybridised p-orbitals. प्रेक्षण: PH3 (93.8°) और H2S (92.1°) में बंध कोण 90° के करीब हैं। ड्रैगो का नियम (Drago's Rule) बताता है कि समूह 15 और 16 के तीसरे आवर्त से आगे के केंद्रीय परमाणुओं के लिए, विद्युत ऋणात्मकता कम होती है, और अणु लगभग शुद्ध असंकरित p-कक्षकों का उपयोग करके बनते हैं।

Exceptionअपवाद Molecules with sp3d hybridisation should have identical equatorial and axial bond lengths.sp3d संकरण वाले अणुओं में समान भूमध्यरेखीय और अक्षीय बंध लंबाई होनी चाहिए।

Observation: In PCl5, the axial P-Cl bonds (240 pm) are longer and weaker than the equatorial P-Cl bonds (202 pm). — Axial bonds experience greater repulsion from three equatorial bond pairs at 90°, causing bond elongation. प्रेक्षण: PCl5 में, अक्षीय P-Cl बंध (240 pm) भूमध्यरेखीय P-Cl बंधों (202 pm) की तुलना में लंबे और कमजोर होते हैं। अक्षीय बंध 90° पर तीन भूमध्यरेखीय बंध युग्मों से अधिक प्रतिकर्षण का अनुभव करते हैं, जिससे बंध का विस्तार होता है।

Exceptionअपवाद Carbon in CH4 is sp3 hybridised.CH4 में कार्बन sp3 संकृत होता है।

Observation: Carbene (:CH2) exhibits sp2 hybridisation in its singlet state with a bent geometry. — The non-bonding pair occupies one sp2 orbital while the other two form σ-bonds, leaving an empty unhybridised p-orbital. प्रेक्षण: कार्बीन (:CH2) अपनी सिंगलेट अवस्था में मुड़ी हुई ज्यामिति के साथ sp2 संकरण प्रदर्शित करता है। अयुग्मित इलेक्ट्रॉन युग्म एक sp2 कक्षक में रहता है जबकि अन्य दो σ-बंध बनाते हैं, जिससे एक खाली असंकरित p-कक्षक बच जाता है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Steric Number Magic Number Formulaस्टेरिक संख्या जादुई सूत्र (Steric Number Magic Number Formula)
SN = (Valence electrons of central atom + Monovalent atoms - Cation charge + Anion charge) / 2

Application: Quickly compute SN: 2(→sp), 3(→sp2), 4(→sp3), 5(→sp3d), 6(→sp3d2), 7(→sp3d3). अनुप्रयोग: SN की त्वरित गणना: 2(→sp), 3(→sp2), 4(→sp3), 5(→sp3d), 6(→sp3d2), 7(→sp3d3)।

Lone Pair Count Shortcutएकाकी युग्म गणना शॉर्टकट (Lone Pair Count Shortcut)
LP = Steric Number - Number of Terminal Monovalent Atoms

Application: Instantly find lone pairs on central atom without drawing Lewis structures for standard molecules. अनुप्रयोग: मानक अणुओं के लिए लुईस संरचना बनाए बिना केंद्रीय परमाणु पर एकाकी युग्मों को तुरंत ज्ञात करें।

Drago's Rule Quick Checkड्रैगो नियम त्वरित जांच (Drago's Rule Quick Check)
Period ≥ 3 central atom + Electronegativity ≤ 2.5

Application: Immediately predict no hybridisation (bond angles ≈ 90°) for hydrides like PH3, AsH3, H2S. अनुप्रयोग: PH3, AsH3, H2S जैसे हाइड्राइड्स के लिए बिना संकरण (बंध कोण ≈ 90°) की तुरंत भविष्यवाणी करें।

⚖️ Comparison of Hybridisation States ⚖️ संकरण अवस्थाओं की तुलना
HybridisationसंकरणIdeal Bond Angleआदर्श बंध कोणGeometryज्यामिति
spsp180°180°Linearरैखिक
sp2sp2120°120°Trigonal Planarत्रिकोणीय समतलीय
sp3sp3109.5°109.5°Tetrahedralचतुष्फलकीय
sp3dsp3d90°, 120°90°, 120°Trigonal Bipyramidalत्रिकोणीय द्वि-पिरामिडी
sp3d2sp3d290°90°Octahedralअष्टफलकीय
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • The coordination number of sulfur in SF6 is 6 with sp3d2 hybridisation and octahedral geometry.
  • The hybridisation of carbon in graphite is sp2, accounting for its layered hexagonal sheet structure and electrical conductivity.
  • The hybridisation of carbon in diamond is sp3, forming a rigid three-dimensional tetrahedral network.
  • In the formation of PCl5, the five sp3d hybrid orbitals are directed towards the corners of a trigonal bipyramid.
  • Iodine trichloride (ICl3) has sp3d hybridisation with a T-shape due to two lone pairs at equatorial positions.
  • Water molecule has sp3 hybridisation with two lone pairs, resulting in a V-shaped or bent molecular geometry.
  • SF6 में सल्फर की समन्वय संख्या 6 है, जिसमें sp3d2 संकरण और अष्टफलकीय ज्यामिति होती है।
  • ग्रेफाइट में कार्बन का संकरण sp2 है, जो इसकी स्तरित षट्कोणीय शीट संरचना और विद्युत चालकता का कारण है।
  • हीरे में कार्बन का संकरण sp3 है, जो एक कठोर त्रि-आयामी चतुष्फलकीय नेटवर्क बनाता है।
  • PCl5 के निर्माण में, पांच sp3d संकर कक्षक एक त्रिकोणीय द्वि-पिरामिड के कोनों की ओर निर्देशित होते हैं।
  • आयोडीन ट्राइक्लोराइड (ICl3) में sp3d संकरण होता है और भूमध्यरेखीय स्थितियों पर दो एकाकी युग्मों के कारण इसकी आकृति T-आकार की होती है।
  • जल के अणु में sp3 संकरण होता है और दो एकाकी युग्मों के कारण इसकी आणविक ज्यामिति V-आकार या मुड़ी हुई होती है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Counting π-bonds in the steric number calculation; only σ-bonds and lone pairs determine hybridisation.
  • Confusing molecular geometry (visible atoms only) with electron pair geometry (includes lone pairs).
  • Assuming all sp3 hybridized molecules have exactly 109.5° bond angles, ignoring the distortion caused by lone pairs.
  • Applying hybridisation concepts to molecules governed by Drago's rule like PH3 and H2S.
  • स्टेरिक संख्या गणना में π-बंधों को गिनना; केवल σ-बंध और एकाकी युग्म ही संकरण निर्धारित करते हैं।
  • आणविक ज्यामिति (केवल दृश्य परमाणु) को इलेक्ट्रॉन युग्म ज्यामिति (एकाकी युग्म सहित) के साथ भ्रमित करना।
  • यह मान लेना कि सभी sp3 संकृत अणुओं में 109.5° का बंध कोण होता है, और एकाकी युग्मों द्वारा उत्पन्न विकृति को अनदेखा करना।
  • PH3 और H2S जैसे ड्रैगो के नियम द्वारा शासित अणुओं पर संकरण अवधारणाओं को लागू करना।