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Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Hybridization संकरण (Hybridization)

Hybridization is the mathematical concept of mixing atomic orbitals of comparable energies to form new hybrid orbitals of equal energy and definite geometry. It accounts for the observed bond lengths, bond angles, and molecular shapes predicted by valence bond theory. संकरण (Hybridization) समान ऊर्जा वाले परमाणु कक्षकों (atomic orbitals) के आपस में मिश्रित होकर समान ऊर्जा और निश्चित ज्यामिति वाले नए संकर कक्षकों (hybrid orbitals) के निर्माण की एक गणितीय अवधारणा है। यह संयोजकता आबंध सिद्धांत (Valence Bond Theory) द्वारा अनुमानित आबंध लंबाई, आबंध कोण और आणविक आकृतियों की व्याख्या करता है।

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

Types of Hybridization and Geometries संकरण के प्रकार और ज्यामिति

  • sp hybridization involves mixing one s and one p orbital, resulting in a linear geometry with a 180° bond angle (e.g., BeCl2, C2H2).
  • sp2 hybridization involves one s and two p orbitals, yielding a trigonal planar geometry with 120° bond angles (e.g., BF3, C2H4).
  • sp3 hybridization combines one s and three p orbitals to form a tetrahedral geometry with 109.5° bond angles (e.g., CH4, NH4+).
  • sp3d hybridization generates a trigonal bipyramidal geometry containing two distinct bond orientations: axial (90°) and equatorial (120°) (e.g., PCl5).
  • sp संकरण में एक s और एक p कक्षक का मिश्रण होता है, जिसके परिणामस्वरूप 180° आबंध कोण के साथ रैखिक (linear) ज्यामिति प्राप्त होती है (उदाहरण: BeCl2, C2H2)।
  • sp2 संकरण में एक s और दो p कक्षकों का मिश्रण होता है, जिससे 120° आबंध कोण के साथ त्रिकोणीय समतलीय (trigonal planar) ज्यामिति प्राप्त होती है (उदाहरण: BF3, C2H4)।
  • sp3 संकरण में एक s और तीन p कक्षकों का संयोजन होता है, जिससे 109.5° आबंध कोण के साथ चतुष्फलकीय (tetrahedral) ज्यामिति बनती है (उदाहरण: CH4, NH4+)।
  • sp3d संकरण त्रिकोणीय द्विपिरामिडीय (trigonal bipyramidal) ज्यामिति उत्पन्न करता है जिसमें दो अलग-अलग आबंध अभिविन्यास होते हैं: अक्षीय (90°) और निरक्षीय (120°) (उदाहरण: PCl5)।

Extended Coordination and d-Orbital Involvement विस्तारित समन्वय और d-कक्षक की भागीदारी

  • sp3d2 hybridization combines one s, three p, and two d (dz2, dx2-y2) orbitals to form an octahedral geometry with 90° bond angles (e.g., SF6).
  • sp3d3 hybridization involves three d orbitals to produce a pentagonal bipyramidal geometry with 72° and 90° angles (e.g., IF7).
  • Inner orbital complexes use (n-1)d orbitals (d2sp3), while outer orbital complexes use nd orbitals (sp3d2).
  • Hybrid orbitals always form stronger σ bonds than pure atomic orbitals due to more effective directional overlapping.
  • sp3d2 संकरण में एक s, तीन p और दो d (dz2, dx2-y2) कक्षकों का संयोजन होता है, जिससे 90° आबंध कोण के साथ अष्टफलकीय (octahedral) ज्यामिति बनती है (उदाहरण: SF6)।
  • sp3d3 संकरण में तीन d कक्षकों का उपयोग होता है, जिससे 72° और 90° कोणों वाली पंचकोणीय द्विपिरामिडीय (pentagonal bipyramidal) ज्यामिति प्राप्त होती है (उदाहरण: IF7)।
  • आंतरिक कक्षक संकुल (inner orbital complexes) (n-1)d कक्षकों (d2sp3) का उपयोग करते हैं, जबकि बाह्य कक्षक संकुल (outer orbital complexes) nd कक्षकों (sp3d2) का उपयोग करते हैं।
  • संकर कक्षक हमेशा शुद्ध परमाणु कक्षकों की तुलना में अधिक प्रभावी दिशात्मक अतिव्यापन (directional overlapping) के कारण मजबूत σ आबंध बनाते हैं।

Factors Influencing Hybridization and Geometry संकरण और ज्यामिति को प्रभावित करने वाले कारक

  • Lone pair repulsion causes significant deviations in bond angles from ideal VSEPR values, with lp-lp > lp-bp > bp-bp repulsions.
  • Bent's Rule states that more electronegative substituents prefer hybrid orbitals with less s-character, concentrating s-character toward lone pairs and electropositive groups.
  • Electronegativity of central atom: As the electronegativity of the central atom increases, the bond angle increases for molecules with lone pairs.
  • Molecules containing odd electrons (e.g., NO2, ClO2) utilize pseudo-hybridization concepts where single-electron domains occupy equivalent spatial positions.
  • एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म (lone pair) प्रतिकर्षण के कारण आबंध कोण आदर्श VSEPR मानों से काफी विचलित हो जाते हैं, जहाँ lp-lp > lp-bp > bp-bp प्रतिकर्षण होता है।
  • बेंट का नियम (Bent's Rule) बताता है कि अधिक विद्युत ऋणात्मक प्रतिस्थापी कम s-लक्षण वाले संकर कक्षकों को प्राथमिकता देते हैं, जिससे s-लक्षण एकाकी युग्मों और विद्युत धनात्मक समूहों की ओर केंद्रित हो जाते हैं।
  • केंद्रीय परमाणु की विद्युत ऋणात्मकता: जैसे-जैसे केंद्रीय परमाणु की विद्युत ऋणात्मकता बढ़ती है, एकाकी युग्म वाले अणुओं के लिए आबंध कोण भी बढ़ता है।
  • विषम इलेक्ट्रॉन (odd electrons) वाले अणु (जैसे NO2, ClO2) छद्म-संकरण (pseudo-hybridization) अवधारणाओं का उपयोग करते हैं जहाँ एकल-इलेक्ट्रॉन डोमेन समान स्थानिक स्थितियों पर कब्जा करते हैं।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Percentage s-Character प्रतिशत s-लक्षण (Percentage s-Character)
% s = Number of s-orbitalsTotal hybrid orbitals × 100
Conditions: Used for correlating bond angle, electronegativity, and bond length.
शर्तें: आबंध कोण, विद्युत ऋणात्मकता और आबंध लंबाई के सहसंबंध के लिए उपयोग किया जाता है।
इकाइयाँ: कोई इकाई नहीं (प्रतिशत में)
Bent's Rule Correlation बेंट का नियम सहसंबंध (Bent's Rule Correlation)
% s ∝ 1Electronegativity of substituent
Conditions: Applies to sp3d and sp3d2 hybridized molecules with mixed substituents.
शर्तें: मिश्रित प्रतिस्थापियों वाले sp3d और sp3d2 संकरित अणुओं पर लागू होता है।
इकाइयाँ: कोई इकाई नहीं
Dipole Moment of Symmetric Molecules सममित अणुओं का द्विध्रुव आघूर्ण (Dipole Moment of Symmetric Molecules)
μ = ∑ \vec{μ} = 0
Conditions: Applies to strictly symmetrical geometries (e.g., AB2 linear, AB3 trigonal planar).
शर्तें: सख्त सममित ज्यामिति (जैसे AB2 रैखिक, AB3 त्रिकोणीय समतलीय) पर लागू होता है।
इकाइयाँ: Debye (D)
Steric Number Formula स्टेरिक संख्या सूत्र (Steric Number Formula)
SN = 12 (V + M - C + A)
Conditions: Applicable for central atoms in neutral and ionic molecules to determine hybridization.
शर्तें: उदासीन और आयनिक अणुओं में केंद्रीय परमाणु के संकरण को निर्धारित करने के लिए लागू।
इकाइयाँ: कोई इकाई नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद PH3 and H2S should exhibit sp3 hybridization with ~109.5° bond angles.PH3 और H2S को ~109.5° आबंध कोण के साथ sp3 संकरण प्रदर्शित करना चाहिए।

Observation: Bond angles in PH3 (93.5°) and H2S (92.1°) are nearly 90°. — Drago's Rule applies: central atoms from period 3 and below with electronegativity ≤ 2.5 use almost pure p-orbitals for bonding instead of hybridizing. प्रेक्षण: PH3 (93.5°) और H2S (92.1°) में आबंध कोण लगभग 90° होते हैं। यहाँ ड्रैगो का नियम (Drago's Rule) लागू होता है: आवर्त 3 और उससे नीचे के केंद्रीय परमाणु जिनकी विद्युत ऋणात्मकता ≤ 2.5 है, वे संकरण के बजाय आबंध के लिए लगभग शुद्ध p-कक्षकों का उपयोग करते हैं।

Exceptionअपवाद SF4 and ClF3 should have regular symmetric geometries.SF4 और ClF3 की ज्यामिति नियमित और सममित होनी चाहिए।

Observation: SF4 exhibits a seesaw shape and ClF3 is T-shaped. — Presence of active lone pairs in sp3d hybridization occupies equatorial positions to minimize lone pair-lone pair repulsions. प्रेक्षण: SF4 सी-सॉ (seesaw) आकार और ClF3 T-आकार प्रदर्शित करता है। sp3d संकरण में सक्रिय एकाकी युग्मों की उपस्थिति के कारण वे निरक्षीय स्थितियों पर कब्जा करते हैं ताकि प्रतिकर्षण कम हो सके।

Exceptionअपवाद Hybridization states remain invariant regardless of substituents.प्रतिस्थापियों की परवाह किए बिना संकरण अवस्था अपरिवर्तित रहती है।

Observation: Central carbon in CH3F has a different bond angle compared to CH3I. — Bent's rule redistributes s-character depending on the electronegativity of the attached terminal halogens. प्रेक्षण: CH3F में केंद्रीय कार्बन का आबंध कोण CH3I की तुलना में भिन्न होता है। बेंट का नियम जुड़े हुए टर्मिनल हैलोजन की विद्युत ऋणात्मकता के आधार पर s-लक्षण को पुनर्वितरित करता है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Steric Number Calculation Shortcutस्टेरिक संख्या गणना शॉर्टकट
SN = Number of σ bonds + Number of lone pairs

Application: Directly count terminal monovalent atoms plus lone pairs on the central atom to instantly find the hybridization state (2=sp, 3=sp2, 4=sp3, 5=sp3d, 6=sp3d2). अनुप्रयोग: संकरण अवस्था (2=sp, 3=sp2, 4=sp3, 5=sp3d, 6=sp3d2) खोजने के लिए सीधे टर्मिनल परमाणुओं और एकाकी युग्मों की गणना करें।

Ionic Species SN Checkआयनिक प्रजाति SN जाँच
SN = 12 (V + M - Charge on cation + Charge on anion)

Application: Add valence electrons of central atom (V), monovalent atoms (M), and adjust for net ionic charges to avoid manual Lewis structure drawings. अनुप्रयोग: लुईस संरचनाओं को मैन्युअल रूप से बनाने से बचने के लिए केंद्रीय परमाणु के संयोजी इलेक्ट्रॉन (V), एकसंयोजी परमाणु (M) और आयनिक आवेशों का उपयोग करें।

Bond Angle & s-Character Correlationआबंध कोण और s-लक्षण सहसंबंध
Bond Angle ∝ % s-character

Application: As s-character increases (sp → sp2 → sp3), the bond angle decreases from 180° to 120° to 109.5°. अनुप्रयोग: जैसे-जैसे s-लक्षण बढ़ता है (sp → sp2 → sp3), आबंध कोण 180° से घटकर 120° और फिर 109.5° हो जाता है।

⚖️ Comparison of Hybridization States ⚖️ संकरण अवस्थाओं की तुलना
HybridizationसंकरणIdeal Geometryआदर्श ज्यामितिIdeal Bond Angleआदर्श आबंध कोण
spspLinearरैखिक (Linear)180°180°
sp2sp2Trigonal Planarत्रिकोणीय समतलीय (Trigonal Planar)120°120°
sp3sp3Tetrahedralचतुष्फलकीय (Tetrahedral)109.5°109.5°
sp3dsp3dTrigonal Bipyramidalत्रिकोणीय द्विपिरामिडीय (Trigonal Bipyramidal)90°, 120°90°, 120°
sp3d2sp3d2Octahedralअष्टफलकीय (Octahedral)90°90°
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • The number of hybrid orbitals formed is always equal to the number of pure atomic orbitals mixed.
  • BeCl2 is sp hybridized with a linear structure and zero dipole moment.
  • BF3 has sp2 hybridization, a planar triangular shape, and a dipole moment of zero.
  • NH3 has sp3 hybridization with a pyramidal shape and a bond angle of 107°.
  • H2O has sp3 hybridization with a bent (V-shape) geometry and a bond angle of 104.5°.
  • PCl5 has sp3d hybridization where axial bonds are longer and weaker than equatorial bonds.
  • निर्मित संकर कक्षकों की संख्या हमेशा मिश्रित शुद्ध परमाणु कक्षकों की संख्या के बराबर होती है।
  • BeCl2 में sp संकरण होता है, जिसकी संरचना रैखिक और द्विध्रुव आघूर्ण शून्य होता है।
  • BF3 में sp2 संकरण, त्रिकोणीय समतलीय आकार और शून्य द्विध्रुव आघूर्ण होता है।
  • NH3 में sp3 संकरण, पिरामिडीय आकार और 107° का आबंध कोण होता है।
  • H2O में sp3 संकरण, मुड़ी हुई (V-आकार) ज्यामिति और 104.5° का आबंध कोण होता है।
  • PCl5 में sp3d संकरण होता है जहाँ अक्षीय आबंध निरक्षीय आबंधों की तुलना में लंबे और कमजोर होते हैं।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Counting π bonds into the steric number; only σ bonds and lone pairs contribute to hybridization.
  • Assuming all sp3 molecules have exact 109.5° angles, ignoring lone pair compression effects.
  • Confusing the oxidation state of the central atom with its steric number.
  • Applying VSEPR hybridization rules to Drago molecules like PH3 or H2S where pure p-orbitals are used.
  • स्टेरिक संख्या में π आबंधों को गिनना; केवल σ आबंध और एकाकी युग्म ही संकरण में योगदान करते हैं।
  • यह मान लेना कि सभी sp3 अणुओं में सटीक 109.5° कोण होते हैं, जबकि एकाकी युग्म संपीड़न प्रभावों को अनदेखा करना।
  • केंद्रीय परमाणु की ऑक्सीकरण अवस्था को उसकी स्टेरिक संख्या समझ लेना।
  • PH3 या H2S जैसे ड्रैगो अणुओं पर VSEPR संकरण नियमों को लागू करना जहाँ शुद्ध p-कक्षकों का उपयोग होता है।