บทที่ 2 พันธะเคมี

บทที่ 2 พันธะเคมี

บทที่ 2 พันธะเคมี

พันธะเคมี (Chemical Bond) คือ แรงยึดเหนี่ยวที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมเพื่อเกิด เป็นกลุ่มที่เสถียรและเป็นอิสระในระดับโมเลกุล ลักษณะเฉพาะที่สำคัญของพันธะเคมีในโมเลกุลคือ จะปรากฏในบริเวณระหว่างนิวเคลียสของอะตอม ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจนอยู่ในช่วงที่ เหมาะสม ซึ่งอาจจะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ พันธะไอออนิก หรือพันธะโลหะ ได้ อนึ่ง การศึกษาเรื่อง พันธะเคมีทำให้สามารถเข้าใจและทำนายสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารได้        พันธะไอออนิก (ionic bond) เกิดจากที่อะตอมหรือกลุ่มของอะตอมสร้างพันธะกันโดยที่อะตอม หรือกลุ่มของอะตอมให้อิเล็กตรอนกับอะตอมหรือกลุ่มของอะตอม ทำให้กลายเป็นประจุบวก  ในขณะที่อะตอมหรือกลุ่มของอะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนนั้นกลายเป็นประจุลบ เนื่องจากทั้งสองกลุ่ม มีประจุตรงกันข้ามกันจะดึงดูดกัน ทำให้เกิดพันธะไอออน โดยทั่วไปพันธะชนิดนี้มักเกิดขึ้นระหว่าง โลหะกับอโลหะ โดยอะตอมที่ให้อิเล็กตรอนมักเป็นโลหะ ทำให้โลหะนั้นมีประจุบวก และอะตอมที่ รับอิเล็กตรอนมักเป็นอโลหะ จึงมีประจุลบ ไอออนที่พันธะไอออนมีความแข็งแรงมากกว่า พันธะไฮโดรเจน แต่แข็งแรงพอ ๆ กับพันธะโคเวเลนต์ นิยามโดย IUPAC "พันธะระหว่างอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาทิวิตีต่างกันอย่างมาก ในที่นี้ พันธะไอออนิก หมายถึง  แรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้าของไอออนบวกและไอออนลบ  ซึ่งแตกต่างเปรียบเทียบกับพันธะโคเวเลนต์อย่างแท้จริง ในทางปฏิบัติ เรามักจะพิจารณาค่า ความเป็นไอออนิก ของพันธะมากกว่าที่จะบอกว่าเป็นพันธะไอออนิกหรือพันธะโคเวเลนต์ อย่างแท้จริง สมการความสัมพันธ์ที่ใช้ในการคำนวณความเป็นไอออนิกถูกเสนอขึ้นโดย  ลินัส เพาลิง ที่ประมาณการค่าความเป็นไอออนิกระหว่างอะตอม A และ อะตอม B ดังนี้ พันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond) คือพันธะเคมีภายในโมเลกุลลักษณะหนึ่ง  พันธะโคเวเลนต์เกิดจากอะตอมสองอะตอมใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่งคู่หรือมากกว่าร่วมกัน  ทำให้เกิดแรงดึงดูดที่รวมอะตอมเป็นโมเลกุลขึ้น อะตอมมักสร้างพันธะโคเวเลนต์เพื่อเติมวง โคจรอิเล็กตรอนรอบนอกสุดให้เต็ม ดังนั้น อะตอมที่สร้างพันธะโคเวเลนต์จึงมักมีเวเลนซ์ อิเล็กตรอนอยู่มาก เช่น ธาตุหมู่ VI และหมู่ VII เป็นต้น พันธะโคเวเลนต์แข็งแรงกว่า พันธะไฮโดรเจนและมีความแข็งแรงพอๆ กับพันธะไอออนิก พันธะโคเวเลนต์มักเกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาทิวิตีใกล้เคียงกัน ธาตุอโลหะ มีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์มากกว่าธาตุโลหะซึ่งมักสร้างพันธะโลหะ เนื่องจากอิเล็ก ตรอนของธาตุโลหะสามารถเคลื่อนอย่างอิสระ ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนของธาตุอโลหะ ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระนัก การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันจึงเป็นทางเลือกเดียวในการ  สร้างพันธะกับธาตุที่มีสมบัติคล้ายๆ กัน อย่างไรก็ดี พันธะโคเวเลนต์ที่มีโลหะนั้นมีความสำคัญ อย่างยิ่งในการเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น พันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารอินทรีย์กับโลหะเป็น เครื่องมือสำคัญของกระบวนการสร้างพอลิเมอร์หลายๆ กระบวนการ เป็นต้น พันธะโลหะ (Metallic bonding) เป็นพันธะภายในโลหะซึ่งเกี่ยวข้องกับ การเคลื่อนย้าย  อิเล็กตรอน อิสระระหว่างแลตทิซของอะตอมโลหะ ดังนั้นพันธะโลหะจึงอาจเปรียบได้กับ เกลือที่หลอมเหลวอะตอมของมีโลหะอิเล็กตรอนพิเศษเฉพาะในวงโคจรชั้นนอกของมัน เทียบกับคาบ (period) หรือระดับพลังงานของพวกมัน อิเล็กตรอนที่เคลื่อนย้ายเหล่านี้เปรียบ ได้กับทะเลอิเล็กตรอน(Sea of Electrons) ล้อมรอบแลตทิชขนาดใหญ่ของไอออนบวก พันธะโลหะเทียบได้กับพันธะโควาเลนต์ที่เป็น นอน-โพลาร์ ที่จะไม่มีในธาตุโลหะบริสุทธ์  หรือมีน้อยมากในโลหะผสม ความแตกต่าง อิเล็กโตรเนกาทิวิตีระหว่างอะตอม  ซึ่งมีส่วนในปฏิกิริยาพันธะ และอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาจะเคลื่อนย้ายข้ามระหว่าง โครงสร้างผลึกของโลหะ พันธะโลหะเขียนสูตรทางเคมีไม่ได้ เพราะไม่ทราบจำนวนอะตอม ที่แท้จริง อาจจะมีเป็นล้านๆ อะตอมก็ได้ พันธะโลหะจะมีความสำคัญต่อคุณสมบัติทางฟิสิกส์ หลายอย่างของโลหะเช่น ความแข็งแรง ตีแผ่เป็นแผ่นได้(malleability) ดึงเป็นเส้นได้ (ductility) นำความร้อนไดดี นำไฟฟ้าได้ดีและนำได้ทุกทิศทาง เนื้อเป็นเงา (luster) พันธะโลหะเป็นแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิต (electrostatic attraction) ระหว่างอะตอม หรือ  ไออนของโลหะ และ อิเล็กตรอนอิสระ(delocalised electrons) นี่คือเหตุว่าทำไมอะตอม หรือชั้นของมันยอมให้มีการเลื่อนไถลไปมาระหว่างกันและกันได้ เป็นผลให้โลหะมีคุณสมบัติ ที่สามารถตีเป็นแผ่นหรือดึงเป็นเส้นได้

บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ

บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ

 บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ

อะตอม คือหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารที่ยังคงสภาพความเป็นสสารอยู่ได้

      แบบจำลองอะตอม ตามทฤษฏี มีอยู่  5 แบบ  คือ

1. แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก

2.   แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

            - ค้นพบอิเล็กตรอน ที่ มีประจุไฟฟ้าลบ  มีมวลประมาณ1/2000 ของมวลของ H

              - โดยศึกษาพฤติกรรมของ หลอดรังสีแคโทด ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

3. แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด            

           การกระเจิง (scattering) ของอนุภาค a โดยแผ่นทองคำบางๆ

          รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่ารังสีส่วนใหญ่ไม่เบี่ยงเบน และส่วนน้อยที่เบี่ยงเบนนั้น ทำมุมเบี่ยงเบนใหญ่มาก บางส่วนยังเบี่ยงเบนกลับทิศทางเดิมด้วย จำนวนรังสีที่เบี่ยงเบนจะมากขึ้นถ้าความหนาแน่นของแผ่นโลหะเพิ่มขึ้น

 อนุภาคมูลฐาน

อนุภาค	ประจุ(หน่วย)	ประจุ(C)	มวล(g)	มวล(amu)
อิเล็กตรอน	-1	1.6 x 10-19	0.000549	9.1096 x 10-28
โปรตรอน	+1	1.6 x 10-19	1.007277	1.6726 x 10-24
นิวตรอน	0	0	1.008665	1.6749 x 10-24

  

   การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์

          AZX  :  เลขมวล คือผลบวกของโปรตอน และนิวตรอนในนิวเคลียส  

                          เลขอะตอม คือ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่ง =จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม

ตัวอย่าง การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์

                                                                    

               

          ดังนั้น อะตอมของธาตุLithium  ( Li )       มีจำนวนโปรตอน = 3 ตัว
  อิเล็กตรอน = 3 ตัว
    และนิวตรอน = 4 ตัว

                คำศัพท์ที่ควรทราบ

     1. ไอโซโทป ( Isotope )

        หมายถึง  อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน   แต่มีเลขมวลต่างกัน 

   2. ไอโซบาร์ (  Isobar )  

       หมายถึง  อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน   แต่มีเลขอะตอมไม่เท่ากัน

   3. ไอโซโทน   ( Isotone ) 

       หมายถึง   อะตอมของธาตุต่างชนิดกันแต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน

4.  แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์ 

                        

       นักวิทยาศาสตร์จึงมีการศึกษาข้อมูลใหม่มาสร้างแบบจำลองที่เน้นรายละเอียดเกี่ยวกับการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส โดยศึกษาจากสเปกตรัมและค่าพลังงานไอออไนเซชัน

สเปกตรัม

สเปกตรัมเป็นแสงที่ถูกแยกกระจายออกเป็นแถบสีต่าง ๆ และแสงเป็นรูปหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แถบสีต่างๆในแถบสเปคตรัมของแสง

สเปกตรัม	ความยาวคลื่น (nm)
ม่วงน้ำเงินเขียวเหลืองส้มแดง	400 - 420420 - 490490 - 580580 - 590590 - 650650 - 700

สเปกตรัมของธาตุ

      

       แมกซ์ พลังค์ได้เสนอทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) และอธิบายเกี่ยวกับการเปล่งรังสีว่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมามีลักษณะเป็นกลุ่มๆ ซึ่งประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ เรียกว่า ควอนตัม (quantum) ขนาดของควอนตัมขึ้นกับความถี่ของรังสี และแต่ละควอนตัมมีพลังงาน (E) โดยที่ E เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ (u) ดังนี้

                                                        E=hν

                E = พลังงาน 1 ควอนตัมแสง(J)

                h = ค่าคงที่ของพลังค์ (6.62x10^-34 Js)

                ν= ค่าความถี่ ( s^-1)

      

         5.แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

           แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดีแต่ ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมจนได้แบบจำลองใหม่ที่เรียกว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

                                       

                                                            

การจัดเรียงอิเล็กตรอน

       ในแต่ละชั้นของระดับพลังงาน  จะมีจำนวนอิเล็กตรอนได้ ไม่เกิน   2n 2 

ระดับพลังงานหลัก	จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุด
n = 1 (K)	2(1) 2 = 2
n = 2 (L)	2(2) 2 = 8
n = 3 (M)	2(3) 2 = 18
n = 4 (N)	2(4) 2 = 32
n = 5 (O)	2(5) 2 =50
n = 6 (P)	2(6) 2 = 72
n = 7 (Q)	2(7) 2 = 98

ในแต่ละระดับชั้นพลังงาน จะมีระดับพลังงานชั้นย่อยได้ ไม่เกิน 4 ชั้นย่อย และมีชื่อเรียกชั้นย่อย ดังนี้ s , p , d , f

        

ระดับพลังงานชั้นย่อย s มี e - ได้ ไม่เกิน 2 ตัว          ระดับพลังงานชั้นย่อย p มี e - ได้ ไม่เกิน 6 ตัว

ระดับพลังงานชั้นย่อย d มี e - ได้ ไม่เกิน 10 ตัว    ระดับพลังงานชั้นย่อย f มี e - ได้ไม่เกิน 14 ตัว

วิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

ตารางธาตุ (Periodic table)

พลังงานไอออไนเซชัน (IE)

พลังงานไอออไนเซชัน คือ พลังงานที่ใช้ในการดึงอิเล็กตรอน 1 อนุภาค ออกจากอะตอมในสถานะแก๊ส กลายเป็นไอออนบวก

                           ธาตุที่มีอิเล็กตรอน 1 ตัวคือ ธาตุไฮโดรเจน (H)

H(g) → H⁺(g) + e^-               IE=1,318 kJ/mol

 อิเล็กโตรเนกาติวิตี  (EN)

คือ ค่าที่แสดงความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุในพันธะเคมีหนึ่ง อะตอมที่มีค่า ENสูงจะดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่าอะตอมที่มีค่า EN ต่ำ

           อิเลกตรอนอัฟฟินิตี (EA) (สัมพรรคอิเล็กตรอน)

      คือ ระดับพลังงานที่ใช้ในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอิออนลบในสถานะก๊าช  แล้วกลายเป็นอะตอมในสถานะก๊าช

          Cl - (g)         →        Cl (g)  +    e  ดูด

หรือพลังงานที่คายออกมา  เมื่ออะตอมในสถานะก๊าชรับอิเล็กตรอน  แล้วกลายเป็นอิออนในสถานะก๊าช

Cl (g)  +    e      →          Cl- (g)  คาย

     

จุดหลอมเหลวและจุดเดือด (Melting point , Boiling point)

      

สารต่าง ๆ จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค  ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าสารนั้น ๆ อยู่ในรูปโมเลกุลหรืออะตอม  ความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคจะมีผลต่อจุดหลอมเหลวและจุดเดือด  สารที่ที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคแข็งแรงมากจุดหลอมเหลวและจุดเดือดจะสูง  ส่วนสารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคแข็งแรงน้อย  จุดหลอมเหลวและจุดเดือดจะต่ำ

1.  แนวโน้มจุดหลอมเหลวและจุดเดือดตามคาบ

เมื่อพิจารณาตามคาบ  ธาตุหมู่  IA   IIA   IIIA  และ  IVA  จุดหลอมเหลวและจุดเดือดมีแนวโน้มสูงขึ้นตามลำดับ  โดยเฉพาะหมู่  IVA  จะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงที่สุด  ส่วนหมู่ VA   VIA   VIIA  และ  VIIIA  จุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ

2.  แนวโน้มจุดหลอมเหลวและจุดเดือดตามหมู่

เมื่อพิจารณาตามหมู่พบว่าจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของธาตุหมู่  IA   IIA  และ  IIIA  ส่วนใหญ่มีค่าลดลงเมื่อมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น  หรือมีแนวโน้มลดลงจากบนลงล่างตามหมู่  เนื่องจากมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้น  ความแข็งแรงของพันธะโลหะจะลดลงตามหมู่  ส่วนธาตุหมู่  VA   VIA   VIIA  และ  VIIIA  มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม  ซึ่งเป็นผลมาจากมีมวลอะตอมเพิ่มขึ้น  ทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (แรงแวนเดอร์วาลส์) มีค่ามากขึ้น  สำหรับจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของธาตุหมู่  IVA  มีแนวโน้มที่ไม่ชัดเจน  เนื่องจากธาตุหมู่  IVA  มีโครงสร้างและแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมแตกต่างกัน  จึงไม่สามารถสรุปแนวโน้มได้

เลขออกซิเดชัน (Oxidation number)

 หมายถึงจำนวนประจุไฟฟ้าหรือประจุไฟฟ้าสมมติของไอออนหรืออะตอมของธาตุ

เกณฑ์การกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน มีเกณฑ์ดังนี้

1.ธาตุอิสระทุกชนิดทั้งที่อยู่ในรูปอะตอมหรือโมเลกุล มีเลขออกซิเดชันเท่ากับศูนย์ เช่น Fe , Zn , H2 , N2 , O2 , P4 , S8 ต่างมีเลขออกซิเดชันเท่ากับศูนย์

2. ออกซิเจนในสารประกอบทั่วไปมีเลขออกซิเดชัน -2 ยกเว้นในสารประกอบเปอร์ออกไซด์ เช่น Na2O2 , H2O2 , BaO2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน -1 ในสารประกอบซูเปอร์ออกไซด์ เช่น KO2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน -1/2 ในสารประกอบ OF2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน +2

3. ไฮโดรเจนในสารประกอบทั่วไปมีเลขออกซิเดชัน +1 ยกเว้นในสารประกอบโลหะไฮไดรด์ เช่น NaH ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชัน -1

4. ไอออนของธาตุมีเลขออกซิเดชันเท่ากับประจุของไอออนนั้น เช่น H+ เลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 , Ca2+ เลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 , Cl- เลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 เป็นต้น

5. ไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 1 ชนิด ผลรวมของเลขออกซิเดชันของทุกอะตอมเท่ากับประจุของไอออนนั้น เช่น Cr2O7 2- มีประจุ -2 ผลรวมของเลขออกซิเดชันของ Cr2O7 2- จึงเท่ากับ -2

6. ในสารประกอบใด  ผลรวมของเลขออกซิเดชันของทุกอะตอมเท่ากับศูนย์ เช่น CaO เลขออกซิเดชันของแคลเซียมเท่ากับ +2 ของออกซิเจนเท่ากับ -2 ซึ่งรวมกันจะเท่ากับศูนย