અધ્યાય 11 p-બ્લોક તત્વો

“ભારે તત્વોના આંતરિક કોરમાં $d$ અને $f$ ઇલેક્ટ્રોનના પ્રભાવને કારણે p-બ્લોક તત્વોના ગુણધર્મોમાં થતી વિવિધતા તેમની રસાયણશાસ્ત્રને રસપ્રદ બનાવે છે”

$p$-બ્લોક તત્વોમાં છેલ્લું ઇલેક્ટ્રોન સૌથી બહારના $p$ ઑર્બિટલમાં પ્રવેશે છે. આપણે જાણીએ છીએ કે $p$ ઑર્બિટલની સંખ્યા ત્રણ છે અને તેથી, $p$ ઑર્બિટલના સમૂહમાં સમાવી શકાય તેવા ઇલેક્ટ્રોનની મહત્તમ સંખ્યા છ છે. પરિણામે આવર્ત કોષ્ટકમાં $p$-બ્લોક તત્વોના છ જૂથો છે જે 13 થી 18 સુધીની સંખ્યા ધરાવે છે. બોરોન, કાર્બન, નાઇટ્રોજન, ઑક્સિજન, ફ્લોરિન અને હિલિયમ જૂથોના મુખ્ય તત્વો છે. તેમનું વેલેન્સ શેલ ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ $\boldsymbol{n} \boldsymbol{s}^{2} \boldsymbol{n} \boldsymbol{p}^{\mathbf{1 - 6}}$ છે ($\mathrm{He}$ સિવાય). જો કે, ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસનો આંતરિક કોર અલગ હોઈ શકે છે. તત્વોના આંતરિક કોરમાં તફાવત તેમના ભૌતિક ગુણધર્મો (જેમ કે પરમાણુ અને આયનિક ત્રિજ્યા, આયનીકરણ એન્થાલ્પી, વગેરે) તેમજ રાસાયણિક ગુણધર્મોને મોટા પ્રમાણમાં પ્રભાવિત કરે છે. પરિણામે, $p$-બ્લોકના એક જૂથમાં તત્વોના ગુણધર્મોમાં ઘણી વિવિધતા જોવા મળે છે. $p$-બ્લોક તત્વ દ્વારા દર્શાવવામાં આવતી મહત્તમ ઑક્સિડેશન અવસ્થા કુલ વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા (એટલે કે, $s^{-}$ અને $p$-ઇલેક્ટ્રોનનો સરવાળો) જેટલી હોય છે. સ્પષ્ટ છે કે, શક્ય ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓની સંખ્યા આવર્ત કોષ્ટકમાં જમણી બાજુ તરફ વધે છે. આ કહેવાતી જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થા ઉપરાંત, $p$-બ્લોક તત્વો અન્ય ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ પણ દર્શાવી શકે છે જે સામાન્ય રીતે, પરંતુ જરૂરી નથી કે, કુલ વેલેન્સ ઇલેક્ટ્રોનથી બે એકમથી અલગ હોય છે. $p$-બ્લોક તત્વો દ્વારા પ્રદર્શિત મહત્વપૂર્ણ ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ કોષ્ટક 11.1 માં દર્શાવેલ છે. બોરોન, કાર્બન અને નાઇટ્રોજન કુટુંબોમાં જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થા જૂથમાંના હલકા તત્વો માટે સૌથી સ્થિર અવસ્થા છે. જો કે, જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થાથી બે એકમ ઓછી ઑક્સિડેશન અવસ્થા દરેક જૂથમાં ભારે તત્વો માટે ક્રમશઃ વધુ સ્થિર બને છે. જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓથી બે એકમ ઓછી ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓની ઘટના કેટલીકવાર ‘નિષ્ક્રિય જોડી અસર’ને આભારી છે.

કોષ્ટક 11.1 p-બ્લોક તત્વોનો સામાન્ય ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ અને ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ

જૂથ	$\mathbf{1 3}$	$\mathbf{1 4}$	$\mathbf{1 5}$	$\mathbf{1 6}$	$\mathbf{1 7}$	$\mathbf{1 8}$
સામાન્ય ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ	$n s^{2} n p^{1}$	$n s^{2} n p^{2}$	$n s^{2} n p^{3}$	$n s^{2} n p^{4}$	$n s^{2} n p^{5}$	$n s^{2} n p^{6}$ $\left(1 s^{2}\right.$ $\left.\mathrm{He}\right)$ માટે
જૂથનું પ્રથમ સભ્ય	$\mathrm{B}$	$\mathrm{C}$	$\mathrm{N}$	$\mathrm{O}$	$\mathrm{F}$	$\mathrm{He}$
જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થા	+3	+4	+5	+6	+7	+8
અન્ય ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ	+1	+2, -4	+3, -3	+4, +2, -2	+5, +3, +1, -1	+6, +4, +2

આ બે ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ - જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થા અને જૂથ ઑક્સિડેશન અવસ્થાથી બે એકમ ઓછી - ની સાપેક્ષ સ્થિરતા જૂથથી જૂથમાં બદલાઈ શકે છે અને તેની ચર્ચા યોગ્ય સ્થળોએ કરવામાં આવશે.

એ નોંધવું રસપ્રદ છે કે, અધાતુઓ અને ધાતુસદૃશો માત્ર આવર્ત કોષ્ટકના $p$-બ્લોકમાં જ અસ્તિત્વ ધરાવે છે. તત્વોનો અધાત્વીય ગુણધર્મ જૂથમાં નીચે તરફ ઘટે છે. હકીકતમાં, દરેક $p$-બ્લોક જૂથમાંનું સૌથી ભારે તત્વ સ્વભાવે સૌથી વધુ ધાત્વીય હોય છે. અધાત્વીયથી ધાત્વીય ગુણધર્મમાં આ ફેરફાર તેમની રસાયણશાસ્ત્રમાં વિવિધતા લાવે છે જે તેઓ જે જૂથ સાથે સંબંધ ધરાવે છે તેના પર આધાર રાખે છે.

સામાન્ય રીતે, અધાતુઓમાં ધાતુઓ કરતાં વધુ આયનીકરણ એન્થાલ્પી અને વધુ વિદ્યુતઋણતા હોય છે. તેથી, ધાતુઓ કે જે સરળતાથી કેટાયન બનાવે છે તેનાથી વિપરીત, અધાતુઓ સરળતાથી એનાયન બનાવે છે. ખૂબ જ પ્રતિક્રિયાશીલ અધાતુઓ દ્વારા ખૂબ જ પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુઓ સાથે બનતા સંયોજનો સામાન્ય રીતે તેમની વિદ્યુતઋણતામાં મોટા તફાવતને કારણે આયનિક હોય છે. બીજી બાજુ, અધાતુઓ વચ્ચે બનતા સંયોજનો તેમની વિદ્યુતઋણતામાં નાના તફાવતને કારણે મોટે ભાગે સહસંયોજક સ્વભાવના હોય છે. અધાત્વીયથી ધાત્વીય ગુણધર્મમાં ફેરફાર તેમના દ્વારા બનતા ઑક્સાઇડ્સની પ્રકૃતિ દ્વારા શ્રેષ્ઠ રીતે સમજાવી શકાય છે. અધાતુ ઑક્સાઇડ્સ આમ્લીય અથવા તટસ્થ હોય છે જ્યારે ધાતુ ઑક્સાઇડ્સ સ્વભાવે ક્ષારીય હોય છે. p-બ્લોકનું પ્રથમ સભ્ય તેના અનુરૂપ જૂથના બાકીના સભ્યોથી બે મુખ્ય સંદર્ભમાં અલગ પડે છે. પ્રથમ છે કદ અને કદ પર આધાર રાખતા અન્ય તમામ ગુણધર્મો. આમ, સૌથી હલકા $p$-બ્લોક તત્વો સૌથી હલકા $s$-બ્લોક તત્વો, લિથિયમ અને બેરિલિયમ જેવા જ તફાવતો દર્શાવે છે. બીજો મહત્વપૂર્ણ તફાવત, જો કે માત્ર $p$-બ્લોક તત્વો પર લાગુ પડે છે, તે $d$ ઑર્બિટલના ભારે તત્વોના વેલેન્સ શેલમાં (ત્રીજા આવર્તથી શરૂ થતા) અને બીજા આવર્તના તત્વોમાં તેમની ગેરહાજરીના પ્રભાવથી ઊભો થાય છે. બોરોનથી શરૂ થતા $p$-જૂથોના બીજા આવર્તના તત્વો ચાર ($2 s$ અને ત્રણ $2 p$ ઑર્બિટલનો ઉપયોગ કરીને)ની મહત્તમ સહસંયોજકતા સુધી મર્યાદિત છે. તેનાથી વિપરીત, $p$-જૂથોના ત્રીજા આવર્તના તત્વો જે $3 s^{2} 3 p^{n}$ ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ ધરાવે છે, તેમાં $3 d$ અને $3 p$ ઊર્જા સ્તરો વચ્ચે રહેલા ખાલી $4 s$ ઑર્બિટલ હોય છે. આ $d$-ઑર્બિટલનો ઉપયોગ કરીને ત્રીજા આવર્તના તત્વો તેમની સહસંયોજકતાને ચારથી ઉપર વિસ્તૃત કરી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે બોરોન માત્ર $\left[\mathrm{BF_4} \right]^{-}$ બનાવે છે, ત્યારે એલ્યુમિનિયમ $\left[\mathrm{AlF_6}\right]^{3-}$ આયન આપે છે. આ $d$-ઑર્બિટલની હાજરી અન્ય ઘણી રીતે ભારે તત્વોની રસાયણશાસ્ત્રને પ્રભાવિત કરે છે. કદ અને $d$ ઑર્બિટલની ઉપલબ્ધતાનો સંયુક્ત પ્રભાવ આ તત્વોની $\pi$ બંધ બનાવવાની ક્ષમતાને નોંધપાત્ર રીતે પ્રભાવિત કરે છે. જૂથનું પ્રથમ સભ્ય પોતાની સાથે (ઉદા., $\mathrm{C}=\mathrm{C}, \mathrm{C} \equiv \mathrm{C}$, $\mathrm{N} \equiv \mathrm{N}$) અને અન્ય બીજા પંક્તિના તત્વો સાથે (ઉદા., $\mathrm{C}=\mathrm{O}, \mathrm{C}=\mathrm{N}, \mathrm{C} \equiv \mathrm{N}, \mathrm{N}=\mathrm{O}$) $p \pi-p \pi$ બહુવિધ બંધ બનાવવાની ક્ષમતામાં ભારે સભ્યોથી અલગ પડે છે. આ પ્રકારનો $\pi$ - બંધ ભારે $p$-બ્લોક તત્વો માટે ખાસ મજબૂત નથી. ભારે તત્વો $\pi$ બંધ બનાવે છે પરંતુ આમાં $d$ ઑર્બિટલ ($(d \pi-p \pi$ અથવા $d \pi-d \pi$) સામેલ હોય છે. $d$ ઑર્બિટલ $p$ ઑર્બિટલ કરતાં વધુ ઊર્જા ધરાવે છે, તેથી તેઓ બીજા પંક્તિના તત્વોના $\mathrm{p} \pi-\mathrm{p} \pi$ બંધ કરતાં અણુઓની સમગ્ર સ્થિરતામાં ઓછો ફાળો આપે છે. જો કે, ભારે તત્વોની સ્પીસીઝમાં સંકલન સંખ્યા સમાન ઑક્સિડેશન અવસ્થામાં પ્રથમ તત્વ કરતાં વધારે હોઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, +5 ઑક્સિડેશન અવસ્થામાં બંને $\mathrm{N}$ અને $\mathrm{P}$ ઑક્સોએનાયન બનાવે છે: $\mathrm{NO_3^-}$ ($\pi$ - બંધ સાથે ત્રણ-સંકલન જેમાં એક નાઇટ્રોજન $p$-ઑર્બિટલ સામેલ છે) અને $\mathrm{PO}_{4}^{3-}$ ($s, p$ અને $d$ ઑર્બિટલ સામેલ હોય છે જે $\pi$-બંધમાં ફાળો આપે છે). આ એકમમાં આપણે આવર્ત કોષ્ટકના જૂથ 13 અને 14ના તત્વોની રસાયણશાસ્ત્રનો અભ્યાસ કરીશું.

11.1 જૂથ 13 તત્વો: બોરોન કુટુંબ

આ જૂથના તત્વો ગુણધર્મોમાં વ્યાપક વિવિધતા દર્શાવે છે. બોરોન એક લાક્ષણિક અધાતુ છે, એલ્યુમિનિયમ એક ધાતુ છે પરંતુ બોરોન સાથે ઘણી રાસાયણિક સમાનતાઓ દર્શાવે છે, અને ગેલિયમ, ઇન્ડિયમ અને થેલિયમ લગભગ વિશિષ્ટ રીતે ધાત્વીય સ્વભાવ ધરાવે છે.

બોરોન એક એકદમ દુર્લભ તત્વ છે, મુખ્યત્વે ઑર્થોબોરિક એસિડ, $\left(\mathrm{H_3} \mathrm{BO_3}\right)$, બોરેક્સ, $\mathrm{Na_2} \mathrm{~B_4} \mathrm{O_7} \cdot 10 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$, અને કર્નાઇટ, $\mathrm{Na_2} \mathrm{~B_4} \mathrm{O_7} \cdot 4 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ તરીકે થાય છે. ભારતમાં બોરેક્સ પુગા ખીણ (લદ્દાખ) અને સાંભર ઝીલ (રાજસ્થાન)માં મળે છે. પૃથ્વીના પોપડામાં બોરોનની પ્રચુરતા દળ દ્વારા $0.0001 %$ કરતાં ઓછી છે. બોરોનના બે આઇસોટોપિક સ્વરૂપો છે ${ }^{10} \mathrm{~B}(19 %)$ અને ${ }^{11} \mathrm{~B}(81 %)$. એલ્યુમિનિયમ સૌથી વધુ પ્રચુર ધાતુ છે અને પૃથ્વીના પોપડામાં ઑક્સિજન ($45.5 %$) અને $\mathrm{Si}(27.7 %)$ પછી ત્રીજું સૌથી વધુ પ્રચુર તત્વ છે ($8.3 %$ દળ દ્વારા). બોક્સાઇટ, $\mathrm{Al_2} \mathrm{O_3} \cdot 2 \mathrm{H_2} \mathrm{O}$ અને ક્રાયોલાઇટ, $\mathrm{Na_3} \mathrm{AlF_6}$ એલ્યુમિનિયમના મહત્વપૂર્ણ ખનિજો છે. ભારતમાં તે મધ્ય પ્રદેશ, કર્ણાટક, ઓડિશા અને જમ્મુમાં માઇકા તરીકે જોવા મળે છે. ગેલિયમ, ઇન્ડિયમ અને થેલિયમ પ્રકૃતિમાં ઓછા પ્રચુર તત્વો છે.

આ તત્વોના પરમાણ્વિક, ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોની નીચે ચર્ચા કરવામાં આવી છે.

11.1.1 ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ

આ તત્વોનો બાહ્ય ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ $n s^{2} n p^{1}$ છે. ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસ પર નજીકથી નજર નાખતા સૂચવે છે કે જ્યારે બોરોન અને એલ્યુમિનિયમમાં નોબલ ગેસ કોર હોય છે, ત્યારે ગેલિયમ અને ઇન્ડિયમમાં નોબલ ગેસ વત્તા $10 d$-ઇલેક્ટ્રોન હોય છે, અને થેલિયમમાં નોબલ ગેસ વત્તા $14 f$-ઇલેક્ટ્રોન વત્તા $10 d$-ઇલેક્ટ્રોન કોર હોય છે. આમ, આ તત્વોની ઇલેક્ટ્રૉનિક રચનાઓ એકમ 10 માં ચર્ચા કરેલા પ્રથમ બે જૂથોના તત્વો કરતાં વધુ જટિલ છે. ઇલેક્ટ્રૉનિક રચનાઓમાં આ તફાવત અન્ય ગુણધર્મો અને પરિણામે આ જૂથના તમામ તત્વોની રસાયણશાસ્ત્રને પ્રભાવિત કરે છે.

11.1.2 પરમાણ્વિક ત્રિજ્યા

જૂથમાં નીચે તરફ જતાં, દરેક ક્રમિક સભ્ય માટે ઇલેક્ટ્રોનનો એક વધારાનો શેલ ઉમેરવામાં આવે છે અને તેથી, પરમાણ્વિક ત્રિજ્યા વધવાની અપેક્ષા છે. જો કે, એક વિચલન જોઈ શકાય છે. Ga ની પરમાણ્વિક ત્રિજ્યા Al કરતાં ઓછી છે. આને ઇલેક્ટ્રૉનિક વિન્યાસના આંતરિક કોરમાં વિવિધતામાંથી સમજી શકાય છે. વધારાના $10 d$-ઇલેક્ટ્રોનની હાજરી ગેલિયમમાં વધેલા ન્યુક્લિયર ચાર્જમાંથી બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોન માટે માત્ર નબળો સ્ક્રીનિંગ અસર (એકમ 2) પ્રદાન કરે છે. પરિણામે, ગેલિયમ (135 pm) ની પરમાણ્વિક ત્રિજ્યા એલ્યુમિનિયમ (143 pm) કરતાં ઓછી છે.

11.1.3 આયનીકરણ એન્થાલ્પી

સામાન્ય રીતે અપેક્ષિત આયનીકરણ એન્થાલ્પી મૂલ્યો જૂથમાં નીચે તરફ સરળતાથી ઘટતા નથી. $\mathrm{B}$ થી $\mathrm{Al}$ સુધીનો ઘટાડો કદમાં વધારો સાથે સંકળાયેલો છે. $\mathrm{Al}$ અને $\mathrm{Ga}$ વચ્ચે, અને In અને Tl વચ્ચે આયનીકરણ એન્થાલ્પી મૂલ્યોમાં જોવા મળતી અસાતત્યતા $d$ - અને $f$-ઇલેક્ટ્રોનની ન્યુક્લિયર ચાર્જમાં વધારાની ભરપાઈ કરવામાં અસમર્થતાને કારણે છે, જેની નીચી સ્ક્રીનિંગ અસર હોય છે.

આયનીકરણ એન્થાલ્પીઓનો ક્રમ, અપેક્ષા મુજબ, $\Delta_{i} \mathrm{H_1}<\Delta_{i} \mathrm{H_2}<\Delta_{i} \mathrm{H_3}$ છે. દરેક તત્વ માટે પ્રથમ ત્રણ આયનીકરણ એન્થાલ્પીઓનો સરવાળો ખૂબ જ ઊંચો છે. આની અસર જ્યારે તમે તેમના રાસાયણિક ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરશો ત્યારે સ્પષ્ટ થશે.

11.1.4 વિદ્યુતઋણતા

જૂથમાં નીચે તરફ, વિદ્યુતઋણતા પ્રથમ $\mathrm{B}$ થી $\mathrm{Al}$ સુધી ઘટે છે અને પછી થોડી વધે છે (કોષ્ટક 11.2). આ તત્વોના પરમાણ્વિક કદમાં વિસંગતતાને કારણે છે.

11.1.5 ભૌતિક ગુણધર્મો

બોરોન સ્વભાવે અધાત્વીય છે. તે અત્યંત સખત અને કાળા રંગનો ઘન પદાર્થ છે. તે ઘણા એલોટ્રોપિક સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે. ખૂબ જ મજબૂત સ્ફટિકીય જાળીને કારણે, બોરોનનું ગલનાંક અસામાન્ય રીતે ઊંચું હોય છે. બાકીના સભ્યો નીચા ગલનાંક અને ઊંચી વિદ્યુત વાહકતા ધરાવતી નરમ ધાતુઓ છે. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે અસામાન્ય રીતે નીચા ગલનાંક (303K) સાથેનું ગેલિયમ, ઉનાળા દરમિયાન પ્રવાહી અવસ્થામાં અસ્તિત્વ ધરાવી શકે છે. તેનો ઊંચો ઉત્કલનાંક $(2676 \mathrm{~K})$ તેને ઊંચા તાપમાન માપવા માટે ઉપયોગી સામગ્રી બનાવે છે. તત્વોની ઘનતા બોરોનથી થેલિયમ સુધી જૂથમાં નીચે તરફ વધે છે.

11.1.6 રાસાયણિક ગુણધર્મો

ઑક્સિડેશન અવસ્થા અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાશીલતામાં રૂઝાનો

બોરોનના નાના કદને કારણે, તેની પ્રથમ ત્રણ આયનીકરણ એન્થાલ્પીઓનો સરવાળો ખૂબ જ ઊંચો છે. આ તેને +3 આયન બનાવવાથી રોકે છે અને તેને માત્ર સહસંયોજક સંયોજનો બનાવવા માટે દબાણ કરે છે. પરંતુ જેમ આપણે $\mathrm{B}$ થી $\mathrm{Al}$ તરફ જઈએ છીએ, એલ્યુમિનિયમની પ્રથમ ત્રણ આયનીકરણ એન્થાલ્પીઓનો સરવાળો નોંધપાત્ર રીતે ઘટે છે, અને તેથી તે $\mathrm{Al}^{3+}$ આયન બનાવવામાં સક્ષમ છે. હકીકતમાં, એલ્યુમિનિયમ એક ખૂબ જ વિદ્યુતધન ધાતુ છે. જો કે, જૂથમાં નીચે તરફ, વચ્ચે આવેલા $d$ અને $f$ ઑર્બિટલની નબળી સ્ક્રીનિંગ અસરને કારણે, વધેલી અસરકારક ન્યુક્લિયર ચાર્જ $n s$ ઇલેક્ટ્રોનને ચુસ્ત રીતે પકડી રાખે છે (નિષ્ક્રિય જોડી અસર માટે જવાબદાર) અને ત્યારબાદ, બંધનમાં તેમની ભાગીદારીને પ્રતિબંધિત કરે છે. આના પરિણામે, માત્ર $p$-ઑર્બિટલ ઇલેક્ટ્રોન બંધનમાં સામેલ હોઈ શકે છે. હકીકતમાં Ga, In અને Tl માં, બંને +1 અને +3 ઑક્સિડેશન અવસ્થાઓ જોવા મળે છે. +1 ઑક્સિડેશન અવસ્થાની સાપેક્ષ સ્થિરતા ભારે તત્વો માટે ક્રમશઃ વધે છે: $\mathrm{Al}<\mathrm{Ga}<\mathrm{In}<\mathrm{Tl}$. થેલિયમમાં +1 ઑક્સિડેશન અવસ્થા પ્રબળ છે જ્યારે +3 ઑક્સિડેશન અવસ્થા ખૂબ જ ઑક્સિડાઇઝિંગ સ્વભાવ ધરાવે છે. ઊર્જાના વિચારણાઓમાંથી અપેક્ષા મ