แผนการสอนประจาหนวยท 7 วชา เคมสาหรบวศวกร

หนวยท 7 พนธะเคม 6 คาบ (300 นาท)

7.1 ประเภทของพนธะเคม

7.1.1 พนธะไอออน

7.1.2 พนธะโคเวเลนต

7.1.3 พนธะโลหะ

7.2 คาตาง ๆ ทเกยวของกบพนธะและโมเลกล

7.2.1 พลงงานพนธะ

7.2.2 ความยาวพนธะ

7.2.3 มมพนธะ

7.2.4 สภาพขวของพนธะ

7.3 ทฤษฎทใชอธบายพนธะโคเวเลนต

7.3.1 แบบจาลองของลวอส

7.3.2 เรโซแนนซ

7.3.3 ทฤษฎพนธะโคเวเลนต

7.4 ทฤษฎทใชอธบายพนธะโลหะ

7.4.1 แบบจาลองทะเลอเลกตรอน

7.4.2 ทฤษฎแถบพลงงานของโลหะ

7.5 แรงระหวางโมเลกล

7.5.1 แรงแวนเดอรวาลส

7.5.2 พนธะไฮโดรเจน

แนวคด เพอใหเขาใจลกษณะของพนธะชนดตาง ๆ เพอใชอธบายสมบตเชงกลและเชงเคมของ

สารประกอบชนดตาง ๆ ได และยงสามารถนาไปทานายโครงสรางของสารชนดตาง ๆ วามลกษณะ

หรอสมบตอยางไร

249

วตถประสงค เมอศกษาหนวยท 7 จบแลว นกศกษาสามารถ 7.1 เขาใจประเภทของพนธะเคมและการเกดพนธะ

7.1.1 อธบายพนธะไอออนได

7.1.2 อธบายพนธะโคเวเลนตได

7.1.3 อธบายพนธะโลหะได

7.2 เขาใจเกยวกบคาตาง ๆ ทเกยวของกบพนธะและโมเลกล

7.2.1 อธบายพลงงานพนธะได

7.2.2 อธบายความยาวพนธะได

7.2.3 อธบายมมพนธะได

7.2.4 อธบายสภาพขวของพนธะได

7.3 เขาใจทฤษฎทใชอธบายพนธะโคเวเลนต

7.3.1 อธบายแบบจาลองของลวอสได

7.3.2 อธบายเรองเรโซแนนซได

7.3.3 อธบายทฤษฎพนธะโคเวเลนตได

7.3.4 อธบายเกยวกบทฤษฎผลกคอเลกตรอนในวงวาเลนซได

7.3.5 อธบายเกยวกบทฤษฎโมเลควลารออรบทลได

7.3.6 อธบายเกยวกบออรบทล ไฮบรไดเซชนได

7.4 เขาใจทฤษฎทใชอธบายพนธะโลหะ

7.4.1 อธบายแบบจาลองทะเลอเลกตรอนได

7.4.2 อธบายทฤษฎแถบพลงงานได

7.5 เขาใจเรองแรงระหวางโมเลกล

7.5.1 อธบายเรองแรงแวนเดอรวาลลได

7.5.2 อธบายเรองพนธะไฮโดรเจนได

250

กจกรรมการเรยน

1. ทาแบบประเมนกอนเรยน

2. ศกษาเอกสารการสอน ตอนท 7.1 – 7.5.2

3. ปฏบตกจกรรมตามทไดรบมอบหมายทายเอกสารการสอน ตอนท 7.5.2

สอการสอน

1. เอกสารการสอน , แผนใส , CD-ROM

2. แบบฝกหด

3. การสอนเสรม

การประเมนผล

1. ประเมนผลจากแบบประเมนกอนเรยนและหลงเรยน

2. ประเมนผลกจกรรมจากการทาแบบฝกหด

3. การสอบประจาภาคการศกษา

เมออานแผนการสอนแลว ขอใหทาแบบประเมนกอนเรยนหนวยท 7 ใน แบบฝกหด

แลวจงศกษาเอกสารตอไปน

251

แบบประเมนกอนเรยน หนวยท 7 พนธะเคม

1. จงอธบายความหมายของสตรโครงสรางแบบจดลวอส......................................................

2. พนธะโคเวเลนต เกดระหวางธาตใด................................................................................

3. จงเขยนโครงสรางแบบจดลวอสของสารตอไปน (1) (2) 2CO 2H S

4. พนธะไฮโดรเจนหมายถง..............................................................................................

5. จงอธบายไฮบรดออรบทลตอไปน

(1) (2) 3sp 3 2sp d

6. ประจฟอรมล หมายถง..................................................................................................

7. เพราะเหตใด โมเลกลของ จงมขว.......................................................................... 2H O

...................................................................................................................................

8. จงบอกรปรางโมเลกลของ เปนแบบใด………………………………………………… 4CH

9. จงยกตวอยางโมเลกลทมไดโพลเปนศนย ....................................................................................................................................

10. จงเขยนโครงสรางเรโซแนนซของ 3NO

..................................................................................................................................

252

หนวยท 7 พนธะเคม

(Chemical Bond)

ในธรรมชาตอะตอมของธาตบางธาต สามารถอยอยางอสระไดเพยงอะตอมเดยว แตสวน

มากแลวอะตอมของธาตตาง ๆ มกรวมตวกนเปนโมเลกล ซงอาจเกดจากการรวมตวของอะตอมของ

ธาตชนดเดยวกนหรอเกดจากอะตอมของธาตตางชนดกน เกดเปนสารประกอบตาง ๆ เชน HBr,

HCl, NaCl, O2, Cl2 เปนตน อะตอมของธาตเหลานจะยดเหนยวกนดวย พนธะเคม (chemical bond)

โดยทวไปอะตอมของแกสเฉอยจะไมรวมกบอะตอมอน เพราะตวมนเองมสภาพเสถยรอยแลว

โดยมอเลกตรอนวงนอกสด ซงเรยกวา เวเลนซอเลกตรอน ครบ 8 ตว ตามกฎออกเตต (Octet rule)

สวนอะตอมอน ๆ กจะรวมตวกนโดยพยายามจดใหอเลกตรอนอยในสถานะทเสถยรทสดดวยวธการให

อเลกตรอนแกอะตอมอน (releasing electron) รบอเลกตรอนจากอะตอมอน (receiving electron)

หรอใชอเลกตรอนรวมกบอะตอมอน (sharing electron) การจดอเลกตรอนดวยวธการเหลาน เปน

การเกดพนธะเคมระหวางอะตอมนนเอง

7.1 ประเภทของพนธะเคม

พนธะเคม เปนแรงยดเหนยวระหวางอะตอมคหนง ๆ แรงยดเหนยวนแบงเปน 2 ชนด คอ

1. แรงยดเหนยวภายในโมเลกล(intramolecular force) เปนแรงยดเหนยวทเกดระหวาง

อะตอมเพอรวมกนเปนโมเลกล ไดแก พนธะไอออน พนธะโคเวเลนต และพนธะโลหะ

2. แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล (intermolecular force) เปนแรงยดเหนยวทเกดขน

ระหวางโมเลกล ซงอาจจะเปนโมเลกลชนดเดยวกนหรอโมเลกลตางชนดกนกได แรงประเภทนไดแก

แรงแวนเดอรวาลส แรงดงดดระหวางขว และพนธะไฮโดรเจน

7.1.1 พนธะไอออน (Ionic Bond)

พนธะไอออน เปนผลจากแรงดงดดทางไฟฟาสถตระหวางไอออนทมความสามารถในการแลกเปลยนอเลกตรอน ตงแตหนงอเลกตรอนขนไป จากอะตอมหนงหรอกลมของอะตอมหนงไปสอกอะตอมหรออกกลมอะตอมหนง ธาตทใหอเลกตรอนมกเปนโลหะ ซงอยทางซายของตารางธาต สวนธาตทรบอเลกตรอนมกเปนอโลหะซงอยทางขวาของตารางธาต มกพบในสารประกอบทมธาตทเปนองคประกอบมสภาพไฟฟาลบตางกนมาก และจะอยในสภาพทเปนไอออนบวกและไอออนลบบางครงเรยกวา พนธะอเลกโทรเวเลนซ (electrovalence bond)

สารประกอบทเกดขนเรยกวา สารประกอบ

ไอออน (ionic compound) ตวอยางเชน NaCl ซงเกดจากโซเดยมไอออน (Na+) กบคลอไรด

ไอออน (Cl-) เกดแรงดงดดกน ดวยแรงดงดดทางไฟฟา เกดเปนโครงสรางผลก NaCl ดงแสดงในรป

ท 7.1 สารประกอบไอออนไมมลกษณะเปนโมเลกล เพราะเมอเปนของแขง ไอออนบวกและไอออน

ลบจะจดเรยงตวในลกษณะทจะทาใหเกดแรงดงดดกนไดมากทสด และมโครงสรางทมการจดเรยงของ

ไอออนตอกนไปเรอย ๆ เมออยในสภาพสารละลาย ไอออนบวกและไอออนลบจะแยกออกจากกนและ

ถกลอมรอบดวยโมเลกลของนา ดงนน สตรเคมของสารประกอบไอออนจงไมจดเปนสตรโมเลกล แต

เรยกวา สตรเอมพรคล (empirical formula)

(ก) (ข) รปท 7.1 สารประกอบไอออนทมลกษณะไมเปนโมเลกล (ก) แสดงการเกดพนธะไอออนของ Na+ และ Cl–

(ข) แสดงโครงสรางสารประกอบไอออน NaCl

ทมา : Silberberg, 2006 : 330

การรวมตวกนของอะตอมของธาต โดยพนธะไอออนเปนสารประกอบไอออนนน เขยนแสดง

เปนจานวนอเลกตรอนแบบลวอส (Lewis) เรยกโครงสรางลวอส (Lewis structure) หรอ โครงสราง

อเลกตรอนแบบจดลวอส (Lewis electron dot structure) ดงแสดงตวอยางในรปท 7.2

IIA(2) IIIA(13) IV(14) VA(15) VIA(16) VIIA(17) VIIIA(18)

ns2 ns2np1 ns2np2 ns2np3 ns2np4 ns2np5 ns2np6

N

P

C

Si

Be B

Ai Mg

F

Cl S

O Ne

Ar

รปท 7.2 โครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอส สาหรบธาตในคาบท 2 และคาบท 3

249

การเขยนโครงสรางลวอสน สามารถดาเนนการไดดงน

1. ธาตในหมท IA ถง VIIA จะมจานวนเวเลนซอเลกตรอนเทากบ 1 ถง 8 ตวตามลาดบ

2. ใสจด (dot) ทสดานของสญลกษณของธาต (ดานบน ดานขวา ดานลางและดานซาย)

3. เพมจดใหเขาค (pairing) กบจดทกาหนดไวแลว จนครบจานวนของเวเลนซอเลกตรอน

สาหรบธาตทเปนโลหะ จานวนจดทงหมดจะแทนจานวนอเลกตรอนทมากทสดทอะตอมใหไป

ในการเกดเปนประจบวก (cation) หรอไอออนบวก

สวนธาตทเปนอโลหะ จานวนจดทไมไดเขาค (unpaired dot) เปนจานวนอเลกตรอนทตอง

รบมาจากอะตอมอน เพอเกดเปนประจลบ (anion) หรอไอออนลบ

ไอออนบวก และไอออนลบ จะจบยดกนเปนสารประกอบ เปนไปตามกฎออกเตต (Octet rule)

รายละเอยดการใหและรบอเลกตรอน หรอการถายเทอเลกตรอน (electron transfer) แสดงได

3 แบบ ดงรปท 7.3 การเขยนโครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอส ของสารประกอบตาง ๆ ดงรปท 7.4

(ก) การจดเรยงตวของอเลกตรอน Li 1s22s1 + F 1s22s22p5 Li+ 1s2 + F- 1s22s22p6

(ข) ออบทล ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ Li + F Li+ + F-

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p

- (ค) โครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอส Li + Li+ +

รปท 7.3 แสดงการเกด Li+ และ F- โดยการถายเทอเลกตรอน ได 3 แบบ

+

(NaCl)

+

(MgCl2)

+

รปท 7.4 ตวอยางโครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอส ของสารประกอบไอออน

F F

Na+ x x

Cx x C l x x

x x l

x x xx - Na x

x x C l x x

x x x

x x C l x x

x x x

Mg Mg2+x x x C l x x

x x

x x x C l x x

x x

-

-

Na

Na

ox

x x 2- x x O x x

x x Na+

Na+ x x x O x

(Na2O)

250

สมบตของสารประกอบไอออน

สารประกอบไอออนมสมบตทางกายภาพและทางเคม ดงน

1. เมออยในสถานะของเหลวหรอสารละลายจะนาไฟฟาได เพราะไอออนมอสระในการเคลอนท

จะเคลอนไปยงขวไฟฟา ทาใหกระแสไฟฟาไหลผานได

2. มจดหลอมเหลวและจดเดอดสง

3. สามารถละลายไดดในตวทาละลายทมขว (polar solvent)

4. โดยทวไปเปนสารทมสมบตแขง แตเปราะ

5. สามารถเกดปฏกรยาเคมไดเรว เพราะเปนปฏกรยาระหวางไอออน

จดหลอมเหลว (melting point) และจดเดอด (boiling point) ของสารประกอบไอออน บางตว

แสดงในตารางท 7.1

ตารางท 7.1 จดหลอมเหลวและจดเดอดของสารประกอบไอออนบางตว

สารประกอบ

ไอออน

จดหลอมเหลว

(mp, oC)

จดเดอด

(bp, oC)

CsBr

Nal

MgCl2KBr

CaCl2NaCl

LiF

KF

MgO

636

661

714

734

782

801

845

858

2852

1300

1304

1412

1435

> 1600

1413

1676

1505

3600

ทมา : Silberberg, 2006 : 338

251

พลงงานในการเกดพนธะไอออน

พนธะไอออนทเกดจากการใหและการรบอเลกตรอนของธาตทมพลงงานการแตกตวเปนไอออนตา กบธาต

ทมคาสภาพไฟฟาลบสง เพอใหเกดสารประกอบทเสถยร โดยมพลงงานศกยลดตากวาเดม ทาใหการ

จดเรยงอะตอมเพมความเสถยร เชน สารประกอบ LiF กระบวนการถายเทอเลกตรอนม 2 ขนตอน คอ

อะตอมของ Li ในสภาวะแกส จะใหอเลกตรอน

อะตอมของ F ในสภาวะแกส จะรบอเลกตรอน

ดงสมการ

Li (g) Li+ (g) + e- IE1 = 520 kJ

F(g) + e- F-(g) EA = -328 kJ

ในการถายเทอเลกตรอน 2 ขนตอนน ตองการพลงงาน

Li (g) + F(g) Li+(g) + F-(g) IE1 + EA = 192 kJ

ในปฏกรยา Li(s) และ F(g) ไดสารประกอบ LiF(s) จะคายพลงงานเปนปฏกรยาคายความรอน

เกดแรงดงดดระหวางไอออนประจชนดตรงกนขาม

เมอ 1 โมล ของ Li+(g) และ 1 โมล ของ F-(g) เกดปฏกรยาไดโมเลกลของ 1 โมล LiF(g) จะ

คายพลงงานออกมา ดงสมการ

Li+ (g) + F-(g) Li F(g) ΔHo= - 755 kJ

ในสภาวะปกตโมเลกลของ LiF ไมไดอยในสภาวะแกส ในขณะท LiF(g) คายพลงงานออกมา

โมเลกลจะรวมเปนผลกของแขง โดยประจชนดตรงกนขาม คายพลงงานทเรยกวา พลงงานโครงผลก

(lattice energy)

Li+ (g) + F-(g) Li F(s) ΔHo - 1050 kJ

คาพลงงานโครงผลกน คานวณได โดยใชวฏจกรบอรน – ฮาเบอร (Born - Haber cycle)

ดงแสดงในรปท 7.5

252

รปท 7.5 วฏจกรบอรน – ฮาเบอร สาหรบ Li F ทมา : Silberberg, 2006 : 334

ในเมอ

ΔHof = ความรอนของการเกดสารประกอบ (heat of formation)

ΔHo lattice = พลงงานแลตทซ (lattice energy)

EA = สมพรรคภาพอเลกตรอน (electron affinity)

ΙE = พลงงานการแตกตวเปนไอออน

จากรปท 7.5 Li F สามารถเกดได 2 ทาง โดยเกดจากปฏกรยาการรวมกนโดยตรง (ลกศร

หนก) หรอเกดหลายขนตอน (ลกศรเบา) แตทงสองทางจะไดการเปลยนแปลงพลงงานเทากนตามกฎ

ของเฮสส (Hess ‘s law)

ΔHo f ของ Li F (s) = ผลบวกของ ΔHo ในแตละขนตอนจากวฏจกรบอรน – ฮา

เบอร

ΔH

ขนท 1 พลงงานทใชในการเปลยน 1 โมลของ Li ในสถานะของแขง (Li (s)) ใหเปน 1 โมล

ของ Li ในสภาวะแกส (Li (g)) ซงตองใชพลงงานในการทาลายพนธะโลหะ (metallic bond) ขนตอนน

ขนท 1 พลงงานทใชในการเปลยน 1 โมลของ Li ในสถานะของแขง (Li (s)) ใหเปน 1 โมล

ของ Li ในสภาวะแกส (Li (g)) ซงตองใชพลงงานในการทาลายพนธะโลหะ (metallic bond) ขนตอนน

o f ของ Li F (s) = ผลบวกของ ΔHo ในแตละขนตอนจากวฏจกรบอรน – ฮา

เบอร

ΔHostep4 (EA of F)

Li+ΔHo

step3

(IE1 of Li)

Li

(g)+F-(g)

(g)+F(g)

ΔHo5

(-ΔHo of Li F)

ΔHostep2 ( 1

2BE of F2)

Li(g)+ 1

2F2(g)

ΔHostep1 (ΔHo of Li

Li(s) +

atom

เอนทลป, H

Li+(g)+F(g)

Lattice 1

2F2(g)

ΔHooverall (ΔHo

f ) Li F(s)

253

เรยกวา การทาใหเปนอะตอม (atomization) และการเปลยนแปลงพลงงาน (enthalpy change)

จะเปนของอะตอม (ΔHo atom)

Li (s) Li (g) ΔHo1 = 161 kJ

ขนท 2 พลงงานทใชในการเปลยนโมเลกลของ F2 เปนอะตอมของ F ในสถานะแกส ซงตอง

ใชพลงงานในการทาลายพนธะโคเวเลนต เรยกวา พลงงานพนธะ (bond energy) ในการเกด

สารประกอบ Li F ตองใช 1 โมลของอะตอมของ Li และ 1 โมลของอะตอมของ F

2

1 F2(g) F(g) ΔHo

2 = 2

1 (BE of F2)

= 2

1 (159 kJ)

= 79.5 kJ

ขนท 3 พลงงานทใชในการดง 2 s อเลกตรอน จาก 1 โมล ของ Li เพอใหกลายเปนไอออน

(Li +) 1 โมล เรยกวา พลงงานแตกตวเปนไอออน ( E) Ι

Li(g) Li+(g) + e- ΔHo3 = E1 = 520 kJ Ι

ขนท 4 พลงงานทใชในการเพมอเลกตรอน 1 ตว ใน 1 โมล ของ F เพอใหกลายเปน 1 โมล

ของ F – นน อะตอมตองคายพลงงานออกมา (releases energy) เรยก สมพรรคภาพอเลกตรอน

F(g) + e- F-(g) ΔHo

4 = EA = – 328 kJ

ขนท 5 เปนขนการรวมตว เปนผลกของแขงไอออน (Li F (s)) ซงจะมการคายพลงงานออกมา

พลงงานนเรยกวา พลงงานโครงผลก (lattice energy)

Li+(g) + F-(g) Li F(s) ΔHo

5 = – ΔHolattice of Li F

คา ΔHo5 ไมสามารถคานวณไดโดยตรง ตองคานวณจาก ΔHo

f ดงน

Li (s) + 2

1 F2(g) Li F(s) ΔHo

overall = ΔHof = – 617 kJ

254

จากกฎของเฮสส ทราบคา ΔHof มคาเทากบผลบวกของ ΔHo ในแตละขน จากนนสามารถ

คานวณคาพลงงานโครงผลกได

ΔHof = ΔHo

1 + ΔHo2 + ΔHo

3 + ΔHo4 + (ΔHo

lattice of Li F)

- ΔHolattice of Li F = ΔHo

f – (ΔHo1 + ΔHo

2 + ΔHo3 + ΔHo

4)

= – 617 – (161 + 79.5 + 520 – 328) kJ

= – 1,050 kJ

∴ ΔH o lattice of Li F = – (– 1,050) kJ = 1,050 kJ

คาพลงงานโครงผลกของสารประกอบไอออนบางตวแสดงในตารางท 7.2

ตารางท 7.2 คาพลงงานโครงผลก (lattice energy) ของสารประกอบไอออนบางตว

สารประกอบ พลงงานโครงผลก

ΔHolattice (kJ/mol)

LiF

LiCl

LiBr

LiI

NaF

NaCl

NaBr

NaI

KF

KCl

KBr

KI

-1037

-825

-815

-761

-926

-786

-752

-702

-821

-717

-689

-649

7.1.2 พนธะโคเวเลนต (Covalent bond) พนธะโคเวเลนต เปนพนธะทเกดจากอะตอมใชอเลกตรอนรวมกน ซงจะเกดกบอะตอมของ

ธาตทมพลงงานการแตกตวเปนไอออนเทา ๆ กน หรอมคาสมพรรคภาพอเลกตรอน (electron affinity)

เทา ๆ กน อะตอมจะใชอเลกตรอนวงนอกสดรวมกน เพอใหมอเลกตรอนครบ 8 ตว ตามกฎออกเตต

ถาอะตอมใชอเลกตรอนรวมกน 1 ค พนธะทเกดขนเรยกวา พนธะเดยว (single bond) พนธะทเกด

จากอะตอมใชอเลกตรอนรวมกนมากกวา 1 ค เรยก พหพนธะ (multiple bond) ถาใชอเลกตรอน

รวมกน 2 ค พนธะทเกดขนเรยกวาพนธะค (double bond) และถาใชอเลกตรอนรวมกน 3 ค จะ

เรยกวา พนธะสาม (triple bond) ความยาวของพนธะจะไมเทากน พนธะเดยวจะยาวทสด พนธะคจะ

ยาวรองลงมา และพนธะสามจะสนทสด สารประกอบทเกดจากการยดเหนยวดวยพนธะน เรยกวา

สารประกอบโคเวเลนต (covalent compound)

การเขยนสตรสารประกอบโคเวเลนต ใชแบบโครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอส หรอใช –

แทนพนธะ

+ หรอ Cl-Cl x x

l x x

C l x x

x x

x

+ H หรอ H O

+ หรอ H

การเกดพนธะโคเวเลนต ทาใหพลงงานศกยของอะตอมลดลงกวาเมอเปนอะตอมเดยว และ

พลงงานศกยจะตาสดทระยะซงเปนความยาวพนธะระหวางสองอะตอมนน รปท 7.6 แสดงการเกด

พนธะโคเวเลนตในโมเลกลไฮโดรเจน (H2) โดยการเปลยนแปลงพลงงานศกยอะตอมไฮโดรเจนสอง

อะตอมจากทอยหางกนใหคอย ๆ เขามาใกลกน เมออะตอมยงเขาใกลกน พลงงานศกยจะลดลงเรอย ๆ

ทงนเพราะเกดแรงดงดดระหวางประจบวกทนวเคลยสของอะตอมหนงกบอเลกตรอนวงนอกของอก

อะตอมหนง แตแรงดงดดนจะสนสดอยทระยะหนงเทานน ซงเปนจดทอะตอมทงสองมพลงงานศกยตา

ทสด พนธะเสถยรทสด และถอเปนระยะทอะตอมทงสองดงดดกนไดดทสด เรยกวา ความยาวพนธะ

(bond length) ถาเคลอนอะตอมเขาใกลกนมากกวาน นวเคลยสทเปนประจบวกจะผลกกนและกน

อเลกตรอนทมประจลบจะเกดการผลกกน มผลทาใหพลงงานศกยสงขนอยางรวดเรว

x x C

x x x x x x x C l

x x xx x

x C l x xx x

O x x x x x x O x

x x

x x

x H H H H

Hx x

x H

N x H

H H H

H

x x

x x

x

N x N x H x

249

สารประกอบโคเวเลนตมสมบตสาคญเกยวกบพนธะโคเวเลนตคอ พลงงานพนธะและความ

ยาวพนธะทสามารถวดคาได

พลงงานศกย

(kJ/m

ol)

พลงงานท

คายออกใน

การสราง

พนธะ (-)

พลงงานทดด

เขาไปใชใน การสราง พนธะ (+)

ความยาวพนธะของ H2 ระยะหางระหวางนวเคลยส (pm)

รปท 7.6 แสดงการเกดพนธะโคเวเลนตในโมเลกลของไฮโดรเจน H2

ทมา : Silberberg, 2006 : 339

จากรปท 7.6 กราฟระหวางพลงงานศกยของอะตอมไฮโดรเจน กบระยะหางระหวางนวเคลยส

ทจด 1 อะตอมอยไกลกนทจะดงดดเขาหากน

ทจด 2 นวเคลยสของทงสองอะตอมดงดดอเลกตรอนของอกอะตอมหนง

ทจด 3 เปนการรวมกน เนองจากการดงดดระหวางนวเคลยสและอเลกตรอน และแรงผลกกน

ระหวางอเลกตรอน-อเลกตรอน และระหวางนวเคลยส-กบนวเคลยสของอกอะตอม

หนงทาใหเกดพลงงานตาสด

250

ความแตกตางของพลงงานระหวางจด และจด เปนคาพลงงานพนธะ (bond energy)

ของไฮโดรเจน มคา 432 kJ/mol พลงงานนจะคายออกมาเมอมการสรางพนธะขน และจะตองใชถาม

การสลายพนธะ

ทจดท ความยาวพนธะของ H2 เทากบ 74 pm ในจดท ถาอะตอมเขาใกลกนจะเกด

แรงผลกเพมขน อะตอมจะกลบมาอย ณ ตาแหนงจดท ซงเปนจดทมพลงงานมากทสด

ความยาวพนธะของสารประกอบโคเวเลนตวดไดจาก ระยะทนวเคลยสของสองอะตอมทยดกน

ดวยพนธะเขาใกลกนมากทสด และเมอนาคานหารดวย 2 จะเปนคารศมโคเวเลนต (รปท 7.7)

รปท 7.7 ความยาวพนธะและรศมโคเวเลนต ทมา : Silberberg, 2006 : 342

ตวอยางสารประกอบโคเวเลนต

H

แบบพนธะเดยว H – C – H , H – F

H

แบบพนธะค H – C = C – H , O = C = O

H H

แบบพนธะสาม H – C ≡ C – H , N ≡ N

1 3

3

4 3

251

อเลกตรอนครวมพนธะ

อเลกตรอนคโดดเดยว

+

F F

F F

F

F

สารประกอบทเกดจากการใชอเลกตรอนรวมกน โดยพนธะสาม จะมความยาวพนธะสนกวา

และแขงแรงกวาพนธะคและพนธะเดยวตามลาดบ

ความยาวพนธะ : พนธะเดยว > พนธะค > พนธะสาม

ความแขงแรงของพนธะ : พนธะเดยว < พนธะค < พนธะสาม

ตวอยาง

ความยาวพนธะ : C − O > C = O > C ≡ O

ความแขงแรงของพนธะ : C − O < C = O < C ≡ O

เปรยบเทยบความยาวพนธะและความแขงแรงของพนธะระหวาง O − O

พนธะ พนธะค พนธะเดยว

O = O O − O

ความยาวพนธะ (pm) 121 148

ความแขงแรงพนธะ (kJ/mol) 498 123

ในกรณทเปนอะตอมชนดเดยวกน เกดพนธะกบอะตอมตาง ๆ ในหมเดยวกน เชนอะตอมของ

S เกดพนธะกบอะตอมของธาตแฮโลเจนในหมท VIIA คอ F Cl Br I ความยาวพนธะจะเพมขนและ

ความแขงแรงของพนธะจะลดลง เมอขนาดอะตอมของธาตแฮโลเจนเพมขนดงน

ขนาดอะตอม : F < Cl < Br < I

ความยาวพนธะ : S – I > S – Br > S – Cl > S – F

ความแขงแรงของพนธะ : S – F > S – Cl > S – Br > S – I

252

คาพลงงานพนธะเฉลย (average bond energies) ระหวางอะตอมของธาตตาง ๆ และความ

ยาวพนธะ (bond length) แสดงในตารางท 7.3 และ 7.4 ตามลาดบ ตารางท 7.3 พลงงานพนธะเฉลย (average bond energy) ระหวางอะตอมของธาตตาง ๆ

พนธะ พลงงานพนธะ

(kJ/mol)

พนธะ พลงงานพนธะ

(kJ/mol)

พนธะ พลงงานพนธะ

(kJ/mol)

พนธะ พลงงานพนธะ

(kJ/mol)

พนธะเดยว

H – H

H – F

H – Cl

H – Br

H – l

C – H

C – C

C – Si

C – N

C – O

C – P

C – S

C – F

C – Cl

C – Br

C – l

432

565

427

363

295

413

347

301

305

358

264

259

453

339

276

216

N – H

N – N

N – P

N – O

N – F

N – Cl

N – Br

N – I

O – H

O – P

O – O

O – S

O – F

O – Cl

O – Br

O – l

391

160

209

201

272

200

243

159

467

351

204

265

190

203

234

234

Si – H

Si – Si

Si – O

Si – S

Si – F

Si – Cl

Si – Br

Si – I

P – H

P – Si

P – P

P – F

P – Cl

P – Br

P – l

323

226

368

226

565

381

310

234

320

213

200

490

331

272

184

S – H

S – S

S – F

S – Cl

S – Br

S – I

F – F

F – Cl

F – Br

F – I

Cl – Cl

Cl – Br

Cl – I

Br – Br

Br – I

I – I

347

266

327

271

218

∼170

159

193

212

263

243

215

208

193

175

151

พหพนธะ

C = C

C = N

C = O

614

615

745 (799 ในกรณ CO2)

N = N

N = O

O2

418

607

498

C ≡ C

C ≡ N

C ≡ O

839

891

1070

N ≡ N

945

ทมา : Silberberg , 2006 : 341

253

ตารางท 7.4 ความยาวพนธะ (bond length) ระหวางอะตอมของธาตตางๆ

พนธะ ความยาว

พนธะ

(pm)

พนธะ ความยาว

พนธะ

(pm)

พนธะ ความยาว

พนธะ

(pm)

พนธะ ความยาว

พนธะ

(pm)

พนธะเดยว

H – H

H – F

H – Cl

H – Br

H – l

C – H

C – C

C – Si

C – N

C – O

C – P

C – S

C – F

C – Cl

C – Br

C – l

74

92

127

141

161

109

154

186

147

143

187

181

133

177

194

213

N – H

N – N

N – P

N – O

N – S

N – F

N – Cl

N – Br

N – I

O – H

O – P

O – O

O – S

O – F

O – Cl

O – Br

O – l

101

146

177

144

168

139

191

214

222

96

160

148

151

142

164

172

194

Si – H

Si – Si

Si – O

Si – S

Si – N

Si – F

Si – Cl

Si – Br

Si – I

P – H

P – Si

P – P

P – F

P – Cl

P – Br

P – l

148

234

161

210

172

156

204

216

240

142

227

221

156

204

222

243

S – H

S – P

S – S

S – F

S – Cl

S – Br

S – I

F – F

F – Cl

F – Br

F – I

Cl – Cl

Cl – Br

Cl – I

Br – Br

Br – I

I – I

134

210

204

158

201

225

234

143

166

178

187

199

214

243

228

248

266

พหพนธะ

C = C

C = N

C = O

134

127

123

N = N

N = O

O2

122

120

121

C ≡ C

C ≡ N

C ≡ O

121

115

113

N ≡ N

N ≡ O

110

106

ทมา : Silberberg, 2006 : 342

พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต (Coordinate covalent bond)

พนธะโคเวเลนต นอกจากเกดจากอะตอม 2 อะตอม ใชอเลกตรอนรวมกนแลว ในกรณท

อะตอมหนงใหคอเลกตรอนกบอกอะตอมหนงทมออรบทลวางอย กเกดพนธะโคเวเลนตได พนธะน

เรยกวา พนธะโคออดเนตโคเวเลนต หรอพนธะเดทฟ (dative bond)

H Cl + H N H H N H Cl

H + N H H N H

ในโมเลกลของ NH4+ นน พนธะ N – H ทง 4 พนธะเหมอนกน และมขนาดความยาวพนธะ

เทากน และประจของอะตอมทงหมดจะเทากบ +1

พนธะโคเวเลนต เปนพนธะทมขว (polar covalent bond) และไมมขว (non-polar covalent

bond) ดงน

พนธะโคเวเลนตไมมขว บางทเรยกวาพนธะไมมขว เกดจากอะตอมของธาตชนดเดยวกนทง

สองอะตอมทยดเหนยวกนดวยพนธะ ดงดดอเลกตรอนครวมพนธะดวยแรงเทาๆ กน ทาใหความ

หนาแนนของอเลกตรอนทปลายทงสองของพนธะมคาเทากน

พนธะโคเวเลนตมขว (polar covalent bond) พนธะชนดนบางทเรยกสน ๆ วาพนธะมขว

(polar bond) เกดจากอะตอมของธาตตางชนดกน สรางพนธะกน โดยนวเคลยสของอะตอมหนง ดงดด

อเลกตรอนไดมากกวานวเคลยสของอกอะตอมหนง ทาใหเกดการกระจายของอเลกตรอนทใชสราง

พนธะระหวางอะตอมของนวเคลยสทงสองไมเทากน อะตอมทสามารถดงอเลกตรอนไดมาก มคาสภาพ

ไฟฟาลบสง จะเกดเปนขวลบนอย ๆ ( δ- ) สวนอะตอมทมคาสภาพไฟฟาลบตา จะกลายเปนขวบวก

นอย ๆ ( δ+) หรออาจใชลกศร ( ) แสดงทศทางอะตอมทดงอเลกตรอน

H - F หรอ H - F

H - Cl หรอ H - F

δ-

H

H H

H H

H

+

H

δ+ δ-

+ −

+

249

พนธะโคเวเลนตไมมขว (non - polar covalent bond) เกดจากอะตอมของธาตชนดเดยวกน

ใชอเลกตรอนครวมกน เทา ๆ กน ทาใหโมเลกลมแรงดงดดของอเลกตรอนเทา ๆ กน และหกลางกน จง

ไมมขว เชน

F F หรอ F − F

Cl Cl หรอ Cl − Cl

O C O หรอ O = C = O

ตวอยางสารประกอบทมพนธะโคออรดเนตโคเวเลนตในโมเลกล

x x

x x

x

S O

O

H Δ

O

x H2SO4

O Δ H พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต

หรอ H − O − S − O − H

O

O

Cl

X

Cl Cl

Al Al Cl Cl

X

X

X X

พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต Al2Cl6 Cl X

หรอ Cl Cl Cl

Cl Cl Cl Al Al

สมบตของสารประกอบโคเวเลนต

โดยทวไปสารประกอบโคเวเลนตจะเปนสารประกอบทโมเลกลไมมขว แตถาเกดจากอะตอม

ของธาตทมคาสภาพไฟฟาลบ แตกตางกนมาก จะมสภาพขวเกดขนนอย ๆ ดงไดกลาวมาแลว ดงนน

โดยทวไปจะมสมบตดงน

1. สารประกอบโคเวเลนตแบบมขวละลายนาได แตแบบไมมขวจะไมละลายนาหรอสาร

ประกอบทโมเลกลมขว จะละลายในตวทาละลายทมขว

2. โมเลกลแบบไมมขว จะไมนาไฟฟา ไมวาจะอยในสถานะของแขงหรอของเหลว เนองจาก

อเลกตรอนไมมอสระในการเคลอนท

3. มจดเดอด จดหลอมเหลวตา เนองจากพนธะมความแขงแรงนอยประมาณ 200 – 500

kJ/mol

7.1.3 พนธะโลหะ (Metallic Bond)

พนธะระหวางอะตอมของโลหะนน จะไมใชเปนพนธะไอออน พนธะโคเวเลนต หรอแรงวนเดอร

วาลสแตอยางใด ทงนเนองจากสมบตของโลหะทสามารถนาไฟฟาไดด ตแผเปนแผนบาง ๆ หรอดงเปน

เสนได และโลหะมความแขงแรง ดงนน พนธะทเกดระหวางอะตอมของโลหะจะไมใชพนธะทกลาว

มาแลวทงหมด แตเปนพนธะทเกดเฉพาะในโลหะ ซงโลหะเปนธาตทมเวเลนซอเลกตรอนนอย และมคา

พลงงานการแตกตวเปนไอออนตา แสดงวาแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยสไมแนนหนา และ

ในผลกของโลหะนนอะตอมของโลหะจะอยในสภาพไอออนบวกเรยงชดกน แตละอะตอมจะมอะตอม

อนโดยรอบ 8 หรอ 12 อะตอม (coordination number) ดงนน แตละอะตอมของโลหะจะใชเวเลนซ

อเลกตรอนทมอยรวมกน โดยเวเลนซอเลกตรอนเคลอนทไปโดยรอบเปนหมอกอเลกตรอน (cloud of

electron) หรอเปนทะเลอเลกตรอน (sea of electron) ดงนน ผลกของโลหะจงเปรยบเสมอนประจบวก

จานวนมากฝงอยในทะเลอเลกตรอนและแรงดงดดระหวางประจบวกและอเลกตรอนทเคลอนทโดยรอบ

น เรยกวา พนธะโลหะ และเมอออกแรงทางดานหนง ประจบวกของโลหะจะไมไดรบผลกระทบแต

อเลกตรอนโดยรอบจะเคลอนทไปในทศทางของแรง ดงแสดงในรปท 7.8

249

รปท 7.8 แบบทะเลอเลกตรอน (electron-sea model) ของโลหะ

ทมา : Petrucci, 1993 : 424

พนธะโลหะจะทาใหโมเลกลของโลหะมสมบตตางไปจากสารประกอบไอออน และสารประกอบ

โคเวเลนต สมบตทวไปของโลหะมดงน

1. โลหะมจดเดอดสงเพราะอเลกตรอนทเคลอนทโดยรอบ ดงดดไอออนของโลหะเขาดวยกน

แตมจดหลอมเหลวปานกลาง เพราะไอออนของโลหะ ยงคงดงดดอยกบทะเลอเลกตรอน

เชน โลหะแกลเลยม (Ga) มจดหลอมเหลวท 29.8°C แตมจดเดอดท 2403°C เปนตน

2. โลหะนาไฟฟาและความรอนไดด เพราะอเลกตรอนเคลอนทได (localized electron)

3. โลหะมความมนวาว เพราะอเลกตรอนสามารถรบและกระจายคลนแสงได ทาใหผวของ

โลหะสะทอนแสงได

4. โลหะมความเหนยว สามารถตเปนแผนบาง ๆ หรอยดเปนเสนได

7.2 คาตางๆ ทเกยวของกบพนธะและโมเลกล

การเกดพนธะโคเวเลนต ทาใหพลงงานศกยของอะตอมลดลงกวาเมอเปนอะตอมเดยว และ

พลงงานศกดจะตาสดทระยะซงเปนความยาวพนธะระหวางสองอะตอมนน เมออะตอมยงเขาใกลกน

พลงงานศกยจะลดลงเรอย ๆ ทงนเพราะเกดแรงดงดดระหวางประจบวกทนวเคลยสของอะตอมหนงกบ

อเลกตรอนวงนอกของอกอะตอมหนง (ดงไดกลาวมาแลว) แตแรงดงดดนจะสนสดอยทระยะหนง

เทานน ซงเปนจดทอะตอมทงสองมพลงงานศกยตาทสด พนธะเสถยรทสด และถอเปนระยะทอะตอม

250

ทงสองดงดดกนไดดทสด เรยกวา ความยาวพนธะ (bond length) ถาเคลอนอะตอมเขาใกลกน

มากกวาน นวเคลยสทเปนประจบวกจะผลกกนและกน อเลกตรอนทมประจลบจะเกดการผลกกน มผล

ทาใหพลงงานศกยสงขนอยางรวดเรว

สารประกอบโคเวนเลนซมสมบตสาคญเกยวกบพนธะโคเวเลนต คอ พลงงานพนธะและความ

ยาวพนธะทสามารถวดคาได ซงจะกลาวในรายละเอยดตอไป

7.2.1 พลงงานพนธะ (Bond Energy)

พลงงานพนธะ หมายถง พลงงานทใชในการแยกอะตอมทยดเหนยวกนไวดวยพนธะใหแยก

ออกจากกน อะตอมอยในสถานะแกส (gaseous state) มหนวยเปนกโลจลตอโมล (kJ/mol) ใชแทน

ดวย ΔH เชน ในโมเลกลของไฮโดรเจน (H2) ถาจะแยกอะตอมของ H ออกจากกน จะตองใชพลงงาน

432 kJ/molในการสลายพนธะหรอทาลายพนธะ พนธะยงแขงแรงยงตองการพลงงานในการทาลาย

พนธะมากนอกจากนพลงงานพนธะยงสมพนธกบความวองไวของสารตอปฏกรยาเคมดวย โดยตอง

ทาลายพนธะกอนสารจงเขาทาปฏกรยากบสารอน เชน H2 กบ Cl2 กอนทาปฏกรยากน H2 แตกเปน 2H

และ Cl2 แตกเปน 2Cl แลวจงเกดพนธะใหมรวม H กบ Cl เขาดวยกนเปน HCl

สารทมพลงงานพนธะตา จะวองไวตอปฏกรยาเคมมาก เพราะใชพลงงานในการสลายพนธะตา

ตวอยางเชน โมเลกลของฟลออรน (F2) มคาพลงงานพนธะ F-F เทากบ 159 kJ/mol เมอเทยบกบ

โมเลกลของไนโตรเจน ซงมคาพลงงานพนธะ N-N เทากบ 163 kJ/mol ดงนน ฟลออรน จงวองไวตอ

ปฏกรยาเคมมากกวาไนโตรเจน

พนธะระหวางอะตอมคเดยวกน ในสารประกอบตางกน จะมคาพลงงานพนธะไมเทากนจะตอง

ใชคาพลงงานเทากน ดงนน จงเปนคาพลงงานพนธะเฉลย (average bond energy) คาพลงงานพนธะ

ระหวางอะตอมคตาง ๆ แสดงในตารางท 7.3

ในการเกดปฏกรยาเคม จะตองมการสลายพนธะเดมในโมเลกล ทอะตอมยดเหนยวกน ให

อะตอมอยในสถานะแกส ซงจาเปนตองดดพลงงานเขาไปในระบบเปนปฏกรยาดดกลนพลงงาน

(endothermic reaction) พลงงานนน คอ พลงงานสลายพนธะ (bond dissociation energy, D)

สวนในการสรางพนธะเพอเกดเปนโมเลกลใหมทเสถยร จะตองคายพลงงานออกจากระบบเปน

ปฏกรยาคายพลงงาน (exothermic reaction) ความแตกตางของพลงงานทใชในการสลายพนธะแลว

สรางพนธะใหม มคาเทากบ ΔH หรอเอนทลป (enthalpy) ซงเปนการเปลยนแปลงพลงงานของระบบ

ดงนน เมอทราบคาพลงงานพนธะระหวางอะตอมกจะสามารถคานวณหาพลงงานของ

ปฏกรยาเคมตาง ๆ ได

251

สาหรบปฏกรยาเคมใด ๆ ทมทงการสลายพนธะและการสรางพนธะใหมนน อาจจะเปนการ

เปลยนแปลงประเภทดดกลนพลงงานหรอคายพลงงานกได ขนกบผลตางของพลงงานทใชในการสลาย

พนธะกบพลงงานทสรางพนธะใหมนน

ถาพลงงานนใชสลายพนธะมากกวาพลงงานทสรางพนธะใหม จะเปนปฏกรยาดดกลน

พลงงาน (ΔH เปนบวก)

แตถาพลงงานทใชสลายพนธะนอยกวาพลงงานทสรางพนธะใหม จะเปนปฏกรยาคายพลงงาน

(ΔH เปนลบ)

ตวอยางท 7.1

การสลายพนธะ - ปฏกรยาดดกลนพลงงาน (ΔH เปนบวก)

H2(g) 2H(g) ΔH = +436 kJ

Cl2(g) 2Cl(g) ΔH = +243 kJ

F2(g) 2F(g) ΔH = +153 kJ

การสรางพนธะ - ปฏกรยาคายพลงงาน (ΔH เปนลบ)

H(g) + Cl(g) HCl(g) ΔH = -431 kJ

H(g) + F(g) HF(g) ΔH = -565 kJ

พลงงานของปฏกรยาโดยรวมทเกดจากการสลายพนธะและสรางพนธะใหมนน คานวณไดจากสตร

ΔHปฏกรยา = ΔH(สลายพนธะ) + ΔH(สรางพนธะ)

ΔHรวม = ∑ΔH(ตวทาปฏกรยา) – ∑ΔH(ผลตภณฑ)

ในเมอ ΔHรวม = พลงงานของปฏกรยา (enthalpy)

∑ΔH(ตวทาปฏกรยา) = พลงงานทงหมดทดดกลนเขาไปใชสลายพนธะของตวทา

ปฏกรยา (มคาเปนบวก)

∑ΔH(ผลตภณฑ) = พลงงานทงหมดทคายออกมาจากการสรางพนธะของผลตภณฑ

(มคาเปนลบ)

การคานวณพลงงานของปฏกรยาเคม แสดงดงตวอยางตอไปน

252

ตวอยางท 7.2 จงคานวณพลงงานความรอนของการเกด HCl จากปฏกรยาตอไปน

(H-H)g + (Cl-Cl)g 2(H-Cl)g

กาหนดใหพลงงานพนธะ

D(H-H) = 436 kJ/mol

D(Cl-Cl) = 243 kJ/mol

D(H-Cl) = 431 kJ/mol วธทา พนธะทสลายม 2 พนธะ คอ (H-H) 1 โมล และ (Cl-Cl) 1 โมล

พลงงานทใชสลายพนธะทงหมด = D(H-H) +D(Cl-Cl)

= 436 + 243

= 679 kJ

พนธะทสรางขน ม H-Cl 2 โมล

พลงงานทเกดจากการสรางพนธะทงหมด = 2D (H-Cl)

= 2(431) kJ

= 862 kJ

∴ พลงงานความรอนของปฏกรยา = 679 – 862

= -183 kJ

จากปฏกรยาเกดสารใหม 2 โมล ดงนน พลงงานในการเกดสารใหม คดเปนคาพลงงานตอโมล

ของสารใหมทเกดขน

H – Cl 2 โมล ใหพลงงานความรอน = -183 kJ

H – Cl 1 โมล ใหพลงงานความรอน = -91.5 kJ

∼ -92 kJ

∴ พลงงานความรอนในการเกด HCl = 92 kJ #

ตวอยางท 7.3 จงหาพลงงานของปฏกรยา

2 H2O 2H2(g) + O2(g)

กาหนดใหพลงงานพนธะ

D(H-O) = 464 kJ/mol

D(H-H) = 436 kJ/mol

D(O=O) = 498 kJ/mol

พนธะทสลายม H – O 4 โมล

253

∴พลงงานทใชในการสลายพนธะ = 4 (464)

ΔH1 = 1,856 kJ

พนธะทสรางขนม H – H 2 โมล และ O = O 1 โมล

∴พลงงานทใชในการสรางพนธะ = 2 (436) + (498)

ΔH2 = 872 + 498

= 1,370 kJ

∴พลงงานความรอนของปฏกรยา

ΔHของปฏกรยา = ΔH1 + ΔH2

= 1,856 + (-1,370)

= 1,856 – 1,370

ความรอนของปฏกรยา = 486 kJ

7.2.2 ความยาวพนธะ (Bond Length)

ความยาวพนธะ หมายถง ระยะระหวางจดศนยกลางของนวเคลยส ของสองอะตอมทเกดพนธะ

โคเวเลนตกนเปนคาเฉลยของระยะทอะตอมทงสองจะอยใกลกนมากทสด และมพลงงานตาสด หรออก

นยหนงอาจจะกลาวไดวา ความยาวพนธะคอ ผลบวกของรศมของสองอะตอมทยดเหนยวกนดวยพนธะ

คาความยาวพนธะแสดงใน ตารางท 7.9 ดงนนเมอขนาดของอะตอมใหญขน ความยาวพนธะกจะยาว

เพมขน

ความยาวพนธะ

นวเคลยส อเลกตรอน

แรงดงดด

รปท 7.9 แสดงความยาวพนธะของอะตอมทเกดพนธะโคเวเลนต

ทมา : Silberberg, 2006 : 340

เปรยบเทยบพนธะเดยวของสารประกอบทมคารบอน (C) เปนองคประกอบจะไดวา

ความยาวพนธะเพมขนในทศทางดงน

254

C – N < C – C < C – P

คาความยาวพนธะในหนวยพกโคเมตร (pm) ระหวางอะตอมทรวมกนเปนสารประกอบ แสดง

ในตารางท 7.5

ตารางท 7.5 คาความยาวพนธะเฉลย ของพนธะเดยวและพหพนธะ (ในหนวยพกโคเมตร, pm)

พนธะเดยว

I Br Cl S P Si F O N C H

H 161 142 127 132 138 145 92 94 98 110 74

C 210 191 176 181 187 194 141 143 147 154

N 203 184 169 174 180 187 134 136 140

O 199 180 165 170 176 183 130 132

F 197 178 163 168 174 181 128

Si 250 231 216 221 227 234

P 243 224 209 214 220

S 237 218 203 208

Cl 232 213 200

Br 247 228

I 266

พหพนธะ

N = N 120 C = C 134

N ≡ N 110 C ≡ C 121

C = N 127 C = O 122

C ≡ N 115 C ≡ O 113

O = O (in O2) 112 N ≡ O 108

N = O 115

147 154

187

pm pm pm

255

ความยาวพนธะของสารประกอบ จะขนอยกบขนาดของอะตอมหรอเลขอะตอม คอ ถาเลข

อะตอม เพมขน ความยาวพนธะกจะเพมขน เชน

ขนาดอะตอม I > Br > Cl > F

ความยาวพนธะ I2 > Br2 > Cl2 > F2

หรอ I – I > Br – Br > Cl – Cl > F – F

สารประกอบใด ถาความยาวพนธะสน ความหนาแนนอเลกตรอนมากสารประกอบนน จะม

พลงงานพนธะมาก ทงนเพราะความแขงแรงของพนธะ ขนกบความหนาแนนของอเลกตรอนในพนธะ

ระหวางสองอะตอมนน ความสมพนธของความยาวพนธะและพลงงานพนธะแสดงในตารางท 7.6

ตารางท 7.6 ความสมพนธของความยาวพนธะและพลงงานพนธะ

พนธะ ชนดของพนธะ ความยาวพนธะเฉลย พลงงานพนธะเฉลย (pm) (kJ/mol)

C − O 1 143 358

C = O 2 123 745

C ≡ O 3 113 1070

C − C 1 154 347

C = C 2 134 614

C ≡ C 3 121 839

N − N 1 146 160

N = N 2 122 418

N ≡ N 3 110 945

7.2.3 มมพนธะ (Bond Angle)

มมพนธะ หมายถงมมทเกดจากนวเคลยสของสองอะตอมทอยโดยรอบกบนวเคลยสของ

อะตอมกลาง มมพนธะจะแสดงรปรางของโมเลกล ดงแสดงในรปท 7.10 ถาสองกลมของอเลกตรอน

จากอะตอมทอยดานขางเชอมตอกบอะตอมกลางโมเลกลจะอยในลกษณะของเสนตรง(linear

molecular shape) มมมพนธะเทากบ 180° ตวอยางเชน แบรลเรยมคลอไรด (BeCl2) และ

คารบอนไดออกไซด (CO2)

256

BeCl2 Cl − Be − Cl

180°

คารบอนไดออกไซด

CO2 = C = 180°

รปท 7.10 แสดงมมพนธะของสารประกอบ

ทมา : Silberberg, 2006 : 376

ตวอยางรปโครงสรางแบบลวอส

7.2.4 สภาพมขวของพนธะ (Bond Polarity) สารประกอบโคเวเลนต เปนสารประกอบทเกดระหวางอะตอมของอโลหะ อาจจะเปนอะตอม

ของธาตชนดเดยวกน หรอเปนอะตอมของธาตตางชนดกน เชน H2 Cl2 O2 CCl4 CH4 NH3 เปน

ตน ถาเปนอะตอมของธาตชนดเดยวกน มคาสภาพไฟฟาลบ เทากน อะตอมทงสองจะใชอเลกตรอน

รวมกน โดยนวเคลยสของอะตอมทงสอง ดงอเลกตรอนดวยแรงเทา ๆ กน ทาใหอเลกตรอนกระจายอย

ระหวางอะตอมทงสองเทา ๆ กน พนธะประเภทนจะไมมสภาพขว (non – polar) เรยกวา พนธะ

โคเวเลนตไมมขว (non – polar covalent bond) เชน

:Cl Cl: : = :

สวนสารประกอบโคเวเลนต ทเกดจากอะตอมของธาตตางชนดกน อะตอมของธาตทมคาสภาพ

ไฟฟาลบสง จะเปนฝายดงอเลกตรอนไดมากกวา อเลกตรอนจะอยคอนมาทางอะตอมนมากกวาอก

เสนตรง สามเหลยมแบนราบ ทรงสหนา พรามดคฐานสามเหลยม ทรงแปดหนา

F

F

F

B

120°

N

120°

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ ⋅

257

อะตอมหนง ทาใหเกดมสภาพขวขน (polar) เรยกพนธะชนดนวา พนธะโคเวเลนตมขว (polar

covalent bond) สภาพขวทเกดขนในโมเลกลนใชแทนดวย δ– , δ+

δ+ δ–

H − F หรอ H − F

δ+ δ

H H H H O O δ+

คาทแสดงขนาดของสภาพขวเรยก ไดโพลโมเมนต (dipole moment) ใชสญลกษณแทนดวย

μ ขนาดของไดโพลโมเมนต คานวณไดจากผลคณของประจและระยะทางระหวางประจ ดงน

Q+ Q-

r

μ = Qπ

ในเมอ Q = ประจอเลกตรอน (1.60 x 10-19 คลอมบ)

r = ระยะระหวางประจ (pm)

μ = ไดโพลโมเมนต หนวยเปนเดอบายส (De byes , D)

= 3.34 x 10-30 คลอมบ · เมตร (C · m)

คาไดโพลโมเมนตจะเพมขน เมอขนาดของประจเพมขนและระยะระหวางประจเพมขน แต

โมเลกลของสารประกอบโคเวเลนตบางตว เชน CO2 สภาพขวจะหกลางกน ทาใหโมเลกลไมแสดงความ

เปนขว สวนโมเลกลของนา H2O พนธะมขว อะตอมไมไดอยในแนวเดยวกน ดงนนโมเลกลของนาจงม

คาไดโพลโมเมนต (μ = 1.85 D)

พนธะมขว พนธะมขว

O = C = O H H O

โมเลกลไมมขว โมเลกลมขว

ไดโพลโมเมนตเปนศนย ไดโพลโมเมนตไมเปนศนย

พนธะ O = C = O ทงสองนมขนาดเทากน ทศทางตรงกนขาม จะหกลางกนทาให ไดโพล

โมเมนตเปนศนย โมเลกลของ CO2 จงเปนโมเลกลไมมขว

7.3 ทฤษฎทใชอธบายพนธะโคเวเลนต 7.3.1 แบบจาลองของลวอส (Lewis model หรอ Lewis structure)

แบบจาลองของลวอส หรอโครงสรางลวอส Gilbert Newton Lewis (1875 – 1946) นกเคมชาว

อเมรกนเปนผเสนอเพอทานายโมเลกลของสารประกอบทยดเหนยวกนดวยพนธะเคม โดยแตละ

โมเลกลจะตองพยายามทาใหอะตอมทเปนองคประกอบมอเลกตรอนวงนอกสดครบ 8 อเลกตรอน

เปนไปตาม กฎออกเตตเพออะตอมจะไดเสถยร

ในการเกดสารประกอบนน เกดจากอะตอมของธาตมารวมกน ดงนนจะตองมอะตอมหนงเปน

อะตอมกลาง (central atom) และอะตอมทเหลอจะอยโดยรอบอะตอมกลางนน อะตอมทจะเปนอะตอม

กลางสวนมากจะมคาสภาพไฟฟาลบนอยกวาอะตอมอน

ตวอยาง เชน สารประกอบ NF3

N อยหมท 5 มอเลกตรอน = 5 e- (ตองการอก 3e-)

F อยหมท 7 มอเลกตรอน = 7e- (ตองการอก 1e-)

ดงนนอะตอมของ N จะอยตรงกลางและมอะตอม F ลอมรอบ

สตรโมเลกล

(Molecular formula) จดวางอะตอม

(Atom placement)

บวกจานวน

เวเลนซอเลกตรอน

(Sum of Valence e-)

ขนท 1 ขนท 2

จดอะตอมทม

คา EN นอยไว

ตรงกลาง

เพมเลขของหม

ขนท 3 เขยนพนธะ

เดยว ลบ 2 e-

สาหรบแตละพนธะ

โครงสรางลวอส ขนท 4

รปท 7.11 แสดงขนตอนการเปลยนสตรโมเลกล เปนโครงสรางลวอส

(Lewis structure) ใหแตละอะตอมมอเลกตรอน 8 ตว ( 8e-)

(ยกเวน H ม 2e-)

ใหเวเลนซอเลกตรอน

เทาเดม

(Remaining valence e)

249

การเขยนโครงสรางลวอส แสดงตามขนตอนดงน จากรปท 7.11

ขนท 1 จดวางอะตอมตามสตรโมเลกลของสารประกอบ โดยใหอะตอมทมเลขหมตาหรอ

อะตอมทมคาสภาพไฟฟาลบตาอยตรงกลาง เพราะตองการอเลกตรอนอกหลายตว เพอจะครบ 8e-ตาม

กฎออกเตตในการเลอกอะตอมกลางนนตองคานงถง

ก. ไฮโดรเจนไมสามารถเปนอะตอมกลางได เพราะไฮโดรเจนจะเกดพนธะกบอะตอมอนได

เพยง 1 พนธะ เพราะไฮโดรเจนจะเสถยรเมอมเวเลนซอเลกตรอน 2e- และอะตอมทจะมาจบกบ

อะตอมกลางอาจมตงแต 1 ถง 6 อะตอม

ข. ออกซเจน จะไมเกดพนธะกบออกซเจนอน ยกเวนในแกสออกซเจน (O2) โอโซน (O3)

และเปอรออกไซด (O22–) โดยทวไปออกซเจนหนงอะตอมจะเกดพนธะเดยว 2 พนธะ หรอเกดพนธะค 1

พนธะ

ขนท 2 นบจานวนรวมของเวเลนซอเลกตรอนทงหมด ถาเปนไอออนลบ ใหบวกจานวนประจ

ลบเพมเขาไปดวย และถาเปนไอออนบวกใหหกออกเทาจานวนประจบวกนน

ในกรณของ NF3

จานวนเวเลนซอเลกตรอนทงหมด

[1 x N(5)] + [3 x F (7)] = 5 + 21 = 26

ขนท 3 เขยนพนธะเดยวระหวางอะตอมกลางกบอะตอมทอยรอบ ๆ ทกอะตอม และหก

อเลกตรอนออก 2 e- สาหรบแตละพนธะจากจานวนอเลกตรอนในขนท 2

ในกรณของ N F3 จะเปน

F

N

F F

3 (N – F) x 2 e- = 6 e-

ดงนน จานวน อเลกตรอนทเหลอ = 26 – 6 = 20

ขนท 4 กระจายอเลกตรอนทเหลอ ใหเปนค โดยทแตละอะตอมจะม 8e (ยกเวน H2 ม 2e )

และในขนตนใหเตมอเลกตรอนทไมไดใชสรางพนธะค (lone pairs) ทอะตอมทอยรอบ ๆ เพอใหครบ

8 ถามอเลกตรอนเหลอใหเตมทอะตอมกลาง และตรวจสอบใหทกอะตอมมอเลกตรอนครบ 8 e-

ในกรณ NF3

โครงสรางลวอสของ NF3

F F . . . . : :

F.

.

N

: :

. . . . . .

250

ตรวจสอบจานวนอเลกตรอน โดยนบจานวนเวเลนซอเลกตรอนทงหมด (Ione pair) 10 ค บวกกบ

อเลกตรอนทสรางพนธะอก 6 ค รวมเทากบ 26 อเลกตรอน ตามจานวนในขนท 2

ตวอยางท 7.4 จะเขยนโครงสรางลวอสของคารบอนเตตระคลอไรด (CCl4)

1. C มเวเลนซอเลกตรอน = 4

Cl มเวเลนซอเลกตรอน = 7

จานวนอเลกตรอนทงหมด = 4 + 28 = 32

2. ให C เปนอะตอมกลาง และ Cl ลอมรอบ

Cl

Cl C Cl

Cl

3. เขยนจดแทนอเลกตรอนทอะตอมทงหมดใหแตละอะตอมครบ 8

: Cl : : Cl : . . . .

: Cl : C : Cl : หรอ : Cl − C − Cl : . . . . . . . . . .

: Cl : : Cl : . . . . . . . . . .

. . . .

4. ตรวจสอบจานวนอเลกตรอน

อเลกตรอนคโดดเดยว + อเลกตรอนทสรางพนธะ = (12 x 2) + (4 x 2)

= 24 + 8

= 32 อเลกตรอน

จานวนอเลกตรอนเทากบในขนท 1 ดงนนโครงสรางนถกตอง

ในการเขยนโครงสรางลวอส วาโมเลกลจะมพนธะชนดใดนน สามารถตรวจสอบไดโดยใชกฎ

6N+2 (6 N+2 rule) ในเมอ N = จานวนอะตอมทไมใช H ในสตร

• ถาจานวนเวเลนซ อเลกตรอน ในสตรมคาเทากบ 6N+2 จะมพนธะเดยว ทงหมดใน

โมเลกล

• ถาจานวนเวเลนซอเลกตรอนมคาเทากบ 2 นอยกวา 6N+2 จะมพนธะค 1 พนธะ ปรากฎ

ในโมเลกล

• ถาจานวนเวเลนซอเลกตรอนมคาเทากบ 4 นอยกวา 6N+2 จะมพนธะสาม 1 พนธะ หรอ

พนธะค 2 พนธะปรากฏในโมเลกล

251

ตวอยางท 7.5 พจารณาพนธะในโมเลกล

1) P F3 N = 4

∴ 6N+2 = 6 (4) + 2 = 26

เวเลนซอเลกตรอน = 5 [ P ] + (3 x 7) [ F ] = 26

ดงนนในโมเลกล PF3 จะมเฉพาะพนธะเดยว

2) CO32- N = 4

6N+2 = 6 (4) + 2 = 26

เวเลนซอเลกตรอน = 4 [C ] + (3x6) [0] + 2 [ประจ]

= 4 + 18 + 2 = 24

∴ 26 – 24 = 2

ดงนนในโมเลกล CO2- จะมพนธะค 1 พนธะ

3) C6 H10 N = 6

6N+2 = 6(6) + 2 = 38

เวเลนซอเลกตรอน = (6x4) [ C ] + (10x1) [ H ]

= 24 + 10 = 34

38 – 34 = 4

ดงนนในโมเลกล C6 H10 จะมพนธะค 2 พนธะ หรอพนธะสาม 1 พนธะ

ขอยกเวนทไมเปนไปตามกฎออกเตต (Exception to the Octet Rule) โมเลกลของสารประกอบและไอออนสวนใหญจะเปนไปตามกฎออกเตต แตมสารประกอบและ

ไอออนบางชนดทอะตอมกลาง มจานวนคอเลกตรอนทใชรวมกน (pairs of electrons) นอยกวา 4 ค

คอ มเวเลนซอเลกตรอนนอยกวา 8 อเลกตรอน และบางสารประกอบหรอไอออนมเวเลนซอเลกตรอน

มากกวา 8 อเลกตรอน แตสารประกอบเหลานยงเสถยรไดทอณหภมปกต สาหรบอะตอมของ H ใน

สารประกอบโคเวเลนตทกชนดจะมเวเลนซอเลกตรอนเพยง 2 อเลกตรอน และสารประกอบของธาต B

ซงอยในหมท IIIA มเวเลนซอเลกตรอนเทากบ 3 ไดแก BF3 BCl3 BBr3 BI3 B(OH)3

252

F − B − F O − B −O

F H O H

H

โบรอนไตรฟลออไรด กรดบอรก

ตวอยางปฏกรยาของสารประกอบ BF3 กบ NH3 ในการเกดสารประกอบทสรางพนธะ

โคออรดเนตระหวางโมเลกลของ N และ B

H F H F

H N + B F H N B F

H F H F

สารประกอบโคเวเลนตทไมเปนไปตามกฎออกเตตแสดงในตารางท 7.5

ตารางท 7.7 โครงสรางลวอส ทอะตอมกลางไมเปนไปตามกฎออกเตต

ธาต โครงสรางลวอส

หม IVA F Si Si

หม VA P P

พนธะโคออรดเนต

F F

F F

F F F F

F FF F

F

F F F

F

F F

F F

(Si F5-) (Si F6

2-)

(P F5) (PF6-)

2

253

ประจตามสตร (Formal charge)

จากการเขยนสตรโครงสรางลวอสของสารประกอบสามารถอธบายการกระจายของอเลกตรอน

ในโมเลกลหรอไอออนได แตมกจะพบบอย ๆ ทสตรโมเลกลบางตวสมารถเขยนโครงสรางลวอสไดหลาย

แบบ และเปนไปตามกฎออกเตต และโครงสรางเหลานเปนสารประกอบทเกดขนจรง โดยเปนไอโซเมอร

(isomers) ของกนและกน และในบางกรณกจะมเพยงโครงสรางเดยวเทานนทมอยจรงในธรรมชาต

ดงนนเราจะตดสนใจไดอยางไรวา โครงสรางใดเปนโครงสรางทสมเหตสมผลทสด มหลายวธทจะเลอก

วาโครงสรางทงสองนนควรจะเปนโครงสรางใด วธทดทสดคอ การหาประจตามสตร (formal

charge) ของแตละอะตอมในแตละโครงสรางลวอส

ประจตามสตรของแตละอะตอม คอ ความแตกตางระหวางจานวนเวเลนซอเลกตรอนของ

อะตอมเดยว (isolated atom) กบจานวนอเลกตรอนของอะตอม เมออยในโครงสรางลวอส นนคอ

ประจตามสตร = จานวนเวเลนซอเลกตรอนในอะตอมเดยว -

จานวนเวเลนซอเลกตรอนในโครงสรางลวอส

ในการคานวณประจตามสตร มหลกวา

• จานวนอเลกตรอนทไมไดใชรวมกน (unshared electrons) ของอะตอมใดจะตอง

อยทอะตอมนน

• ครงหนงของอเลกตรอนทใชรวมกน ในการสรางพนธะ จะเปนของอะตอมทสง

อเลกตรอนมาใชรวมกน

สตรในการคานวณประจตามสตร

Cƒ = X – (Y + Z/2)

ในเมอ Cƒ = ประจตามสตร

X = จานวนเวเลนซอเลกตรอนในอะตอมเดยว ซงจะเทากบหมของธาตใน

ตารางธาต

Y = จานวนอเลกตรอนทไมไดใชรวมกนของอะตอมในโครงสรางลวอส

Z = จานวนอเลกตรอนทใชรวมกนในการสรางพนธะของอะตอมในโครงสราง

ลวอส

254

ตวอยางท 7.6 จงคานวณประจตามสตรของคารบอน (C) และออกซเจน(O) ในสารประกอบเมธล-

อลกอฮอล ตามโครงสรางท (1) และ (2)

H (1) H − C − O − H (2) H − C − O − H

H H H

. . . . . . . .

สาหรบ C สาหรบ C

X = 4 , Y = O , Z = 8 X = 4 , Y = 2 , Z = 6

Cƒ = 4 – (0 + 8/2 ) = O Cƒ = 4 – (2 + 6/2 ) = -1

สาหรบ O สาหรบ O

X = 6 , Y = 4 , Z = 4 X = 6 , Y = 2 , Z = 6

Cƒ = 6 – (4 + 4/2 ) = O Cƒ = 6 – (2 + 6/2 ) = +1

โดยทวไปโครงสรางลวอสทด คอ โครงสรางท

• ประจตามสตร เขาใกลศนยเทาทจะเปนได

• ประจตามสตรลบ จะอยทอะตอมทมคาสภาพไฟฟาลบสงทสด

จากทฤษฎน จะเหนไดวา โครงสราง (1) ของ เมธลอลกอฮอลเปนโครงสรางทเหมาะสมกวา

โครงสราง (2)

ดงนน เมธลอลกอฮอล จะมโครงสรางลวอส เปน

H C O

H

H

7.3.2 เรโซแนนซ (Resonance) ในบางกรณโครงสรางลวอสไมสามารถอธบายสมบตของไอออนหรอโมเลกลได เชน โมเลกล

ของ SO2 โครงสรางของโมเลกลจะมพนธะระหวาง S และ O ทตางกน คอ เปนพนธะเดยว 1 พนธะ

และเปนพนธะค 1 พนธะ ในการทจะอธบายโครงสรางของโมเลกลนน พนธะใน SO2 จะอยในตรง

กลางระหวางพนธะเดยวและพนธะค ซงแสดงโครงสรางไดสองแบบโดยสลบพนธะกน

..

.. H

255

S S

O O O O

ทานองเดยวกน โมเลกลของ O3 จะมพนธะ เดยว 1 พนธะ และพนธะค 1 พนธะ เพอใหแตละ

อะตอมของ O มอเลกตรอนครบ 8 ตว ซงเขยนโครงสรางลวอสไดเปน

O O O O

O O

(2) (1)

แตเนองจากพนธะเดยว O − O ตางจากพนธะค O = O โดยพนธะเดยว จะยาวกวาพนธะค

การเขยนโครงสรางลวอส แบบเดยวจะไมถกตอง อาจเขยนโดยสลบพนธะเปนโครงสรางลวอสแบบ (1)

และ แบบ (2) น เหมอนกน ตางกน ตาแหนงของอเลกตรอน จากการทดลองพบวา พนธะระหวาง O

กบ O ทงสองนน พนธะนนไมตางกน แตมความยาวพนธะและพลงงานพนธะตางกน ดงนนโครงสราง

ของโมเลกลทถกตองแทจรง จะอยตรงกลางของโครงสรางทงสองน เรยกโครงสรางเรโซแนนซ

(resonance structures) หรอรปแบบเรโซแนนซ (resonance forms) และใชลกศรเรโซแนนซทมหวทงสอง

ขาง ( ) ระหวางโครงสรางทง แบบ (1) และแบบ (2) ซงแสดงวาโครงสรางทงสองแบบเปนเรโซแนนซ ซง

กนและกน

O O

O

O

O O

(1) (2)

ดงนนเรโซแนนซจงหมายถงการใชโครงสรางลวอสตงแตสองแบบขนไปแทนโมเลกลโดยท

โครงสรางจรงของสารนนคลายกบโครงสรางเรโซแนนซทงสองแบบซงโมเลกลของ O3 แสดงไดดง

รปท 7.12

256

โครงสรางเรโซแนนซ โครงสรางเรโซแนนซ

O

O

O

O

O

O (1)

โมเลกลโอโซน

(O3)

รปท 7.12 อธบายโมเลกลของโอโซนวาเปนผลรวมของโครงสราง

เรโซแนนซสองโครงสราง ซงไมสามารถแทนดวยโครง สรางลวอส เพยงแบบเดยว

ตวอยางท 7.7 โครงสรางเรโซแนนซของไอออนและสารประกอบทมเวเลนซอเลกตรอน 24 ตว เขยน

โครงสรางเรโซแนนซได 3 แบบ

1) NO3

2) CO32-

N NN O O O O

O O O

O O

O O O

O O O

O O O

C C C

3) SO3

O

O O S

O O SS

O O

O O

257

7.3.3 ทฤษฎพนธะโคเวเลนต

สารประกอบทยดเหนยวกนดวยพนธะโคเวเลนต สวนใหญอะตอมจะมเวเลนซอเลกตรอนครบ

8 ตว เปนไปตามกฎออกเตต เพอทาใหโมเลกลเสถยรจะมขอยกเวนทไมเปนไปตามกฎออกเตต 3 แบบ

คอ สารประกอบทมเวเลนซอเลกตรอนนอยกวาแปด สารประกอบทมเวเลนซอเลกตรอนมากกวาแปด

และสารประกอบทมเวเลนซอเลกตรอนรอบโมเลกล เปนเลขค เชน BeH2 , BF3 , NO , SF6 เปนตน

จากโครงสรางลวอส ยงไมสามารถบอกรปรางของสารประกอบไดวา โมเลกลมรปรางอยางไร อะตอม

ทามมกนอยางไร

การศกษาโมเลกลของมเทน (CH4) การเขยนโครงสรางลวอสไมสามารถบอกรปรางของโมเลกล

ได อะตอมในโครงสรางอยในระนาบเดยวกน แตผลจากการทดลองโดยใชวธวเคราะหชนสง เชน x – ray

diffraction หาโครงสรางโมเลกล ตองระบตาแหนงของอะตอม โดยการจดตวของโมเลกลหรอไอออน

ในโมเลกล (molecular geometry) พบวาโมเลกลของมเทนมรปรางเปนทรงสหนา (tetrahedral) มมของ

H – C – H เปน 109.5° โดยมอะตอมของ H จะอยทมมของสเหลยมทรงสหนา โดยรปราง ของโมเลกล

ขนอยกบมมพนธะและความยาวพนธะของอะตอมทยดเหนยวกน ดงแสดงในรปท 7.13

ความยาวพนธะ 110 pm

มมพนธะ 109.5°

H

H C H

H

(ก) (ข)

รปท 7.13 โมเลกลของมเทน (CH4) (ก) โครงสรางลวอส

(ข) รปรางของโมเลกลเปนทรงสหนา

ทมา : โครงการตาราฯ สอวน , 2547 : 143

ดงนนจงตองอาศยทฤษฎพนธะเคม (chemical bonding) ทสาคญมาอธบาย คอ ทฤษฎ

การผลกคอเลกตรอนในวงเวเลนซ (Valence – Shell Electron Pair Repulsion, VSEPR Theory)

ทฤษฎพนธะเวเลนซ (Valence Bond Theory) และทฤษฎออรบทลเชงโมเลกล (Molecular Orbital

Theory) ดงจะไดกลาวตอไป

258

7.3.3.1 ทฤษฎการผลกคอเลกตรอนในวงเวเลนซ (Valence – Shell Electron Pair Repulsion Theory , VSEPR)

ทฤษฎการผลกคอเลกตรอนในวงเวเลนซเรยกยอ ๆ วาทฤษฎ VSEPR ทฤษฎนใชทานาย

โครงสรางทางเรขาคณตของสารประกอบทมธาตทเปนองคประกอบอยใน s และ p – block ในตารางธาต

ทฤษฎ VSEPR มหลกพนฐานดงน

แตละกลมของเวเลนซอเลกตรอนทอยรอบอะตอมกลางของโมเลกล จะตองอยในตาแหนงท

หางจากอะตอมอนใหมากทสดเทาทจะเปนไปได เพอทาใหแรงผลกของคอเลกตรอนลดลง กลมของ

อเลกตรอนน อาจจะเปนอเลกตรอนทยดกนดวยพนธะเดยว พนธะค พนธะสาม อเลกตรอนคโดด

เดยวหรออเลกตรอนเดยว (lone electron) ซงโครงสรางของโมเลกลทเหมาะสมจะเปนรปทรงท

อเลกตรอนในโมเลกลมแรงผลกกนนอยทสด และจะทาใหโมเลกลหรอไอออนนนเสถยรมากทสด

สรปใจความของทฤษฎ VSEPR ในการเกดพนธะดงน

1. อะตอมในโมเลกล จะยดกนดวยเวเลนซอเลกตรอน เกดพนธะอาจจะเปนพนธะเดยว หรอ

พหพนธะ

2. บางอะตอมในโมเลกล มอเลกตรอนทไมไดสรางพนธะเปนอเลกตรอนคโดดเดยว

3. อเลกตรอนเหลาน จะพยายามอยหางกนใหมากทสด เพอใหมแรงผลกซงกนและกนนอย

ทสด

4. อเลกตรอนคโดดเดยว จะครอบครองบรเวณทวางมากกวาอเลกตรอนคสรางพนธะ และม

แรงผลกมากกวา อเลกตรอนคสรางพนธะ สวนอเลกตรอนทสรางพหพนธะจะครอบครอง

ทวางมากกวาอเลกตรอนทสรางพนธะเดยว

5. แรงผลกจะลดลง เมอมมระหวางคอเลกตรอนกวางขน และอะตอมทลอมรอบอะตอม

กลางมคาสภาพไฟฟาลบเพมขน

การทานายรปรางโมเลกล โดยใชทฤษฎ VSEPR ทานายนน แมจะทานายไดด แตกมขอจากด

สาหรบโมเลกลทไมเปนไปตามกฎออกเตต

การทานายรปรางของโมเลกล โดยใชทฤษฎของ VSEPR นน มขนตอนสรปดงน

1. เขยนโครงสรางลวอสของสารประกอบ ทตองการจะหารปรางของโมเลกล

2. นบจานวนคอเลกตรอน ทอะตอมกลางทสรางพนธะ โดยจดใหอเลกตรอนเหลานนเกด

แรงผลกกนนอยทสด และถาเปนพหพนธะใหคดเทากบอเลกตรอน 1 ค

3. แสดงรปรางของโมเลกล ตามการจดเรยงตวของคอเลกตรอนเชงมมในพนธะ

259

ความสมพนธระหวางจานวนคของเวเลนซอเลกตรอน รปทรงเลขาคณตของคอเลกตรอน และ

มมระหวางคอเลกตรอน ตามทฤษฎ VSEPR แสดงในตารางท 7.8

ตารางท 7.8 รปรางโมเลกล ตามจานวนค อเลกตรอนทอะตอมกลาง (จานวนคพนธะ)

จานวนคอเลกตรอนทอะตอมกลาง

(จานวนพนธะ)

รปรางโมเลกล

2

3

4

5

6

เสนตรง (linear)

สามเหลยมแบนราบ (trigonal planar)

ทรงสหนา (tetrahedral)

พรามดคฐานสามเหลยม

(trigonal bipyramidal)

ทรงแปดหนา (octahedral)

การจดตวของอเลกตรอนค ใหเปนรปรางโมเลกลตางๆ และมมพนธะทควรจะเปนจากจานวน

ทอะตอมกลางแสดงในตารางท 7.9

260

ตารางท 7.9 แสดงรปทรงเรขาคณตของคอเลกตรอนและมมพนธะ

จานวนค

อเลกตรอน

การจดเรยงตว

ของคอเลกตรอน

รปทรงเรขาคณต

ของคอเลกตรอน

มมพนธะ ตวอยาง

สารประกอบ

2

เสนตรง

(linear)

180°

Be F2

Be Cl2, CO2

Hg Cl2

3

สามเหลยมแบนราบ

(trigonal planar)

120°

B F3

B Cl3S O3

4

ทรงสหนา

(tetrahedral)

109.5°

CH4 CHCl3 NH4

+

5

พรามดค

ฐานสามเหลยม

(trigonal

bipyramidal)

120°

90°

PCl5 , PF5

6

ทรงแปดหนา

(octahedral)

90°

SF6

Se F6

ดดแปลงจาก : Brown, 2000 : 307

261

ในกรณทอะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยว (lon pair electron) อยทอะตอมกลางของ

สารประกอบ จะมแรงผลกในโมเลกลเพมขน คอ แรงผลกระหวางอเลกตรอนคสรางพนธะ แรงผลก

ระหวางอเลกตรอนคโดดเดยว (ถามอเลกตรอนคโดดเดยว 2 คขนไป) และแรงผลกระหวางอเลกตรอน

คโดดเดยว และอเลกตรอนคสรางพนธะ ซงแรงผลกระหวางอเลกตรอนคโดดเดยว – คโดดเดยว > ค

โดดเดยว – คสรางพนธะ > คสรางพนธะ – คสรางพนธะ

ดงนนในสารประกอบน อเลกตรอนคโดดเดยวจะผลกอเลกตรอนคสรางพนธะ ทาใหมมพนธะ

ลดลง และรปทรงเรขาคณตของโมเลกลจะเปลยนไป เชน โมเลกลของแอมโมเนย (NH3) มอเลกตรอน

คโดดเดยวทอะตอมของ N 1 ค มมพนธะจะลดลงจาก 109.5° เปน 107.5°

ในโมเลกลใด ๆ เพอใหเขาใจงายขน กาหนดใหสารประกอบมสตรโมเลกลเปน AXmEn โดยม

A = อะตอมกลาง

X = อะตอมทสรางพนธะกบอะตอมกลาง

E = อเลกตรอนคโดดเดยว

M = จานวนอเลกตรอนคสรางพนธะ

N = จานวนอเลกตรอนคโดดเดยว

รปรางโมเลกลของสารประกอบทมอเลกตรอนคโดดเดยว ทอะตอมกลางแสดงในตารางท 7.10

262

ตารางท 7.10 แสดงรปรางของโมเลกล ทอะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยว

จานวน

อเลกตรอน

รปทรงเรขา

คณตของค

อเลกตรอน

โมเลกล

รปทรงโมเลกล

ตวอยาง

สารประกอบ

สตรโมเลกล

2

AX2 E0

O=C=O

CO2.. ..

..

..

3

AX3 E0

สามเหลยมแบนราบ

BF3

AX2 E1

มมงอ

NO2

4

AX4 E0

ทรงสหนา

CH4

F ..

B F F

NO O

“ “

H H H

H C

AX3 E1

พรามด

ฐานสามเหลยม

NH3

H H H

N

AX2 E2

มมงอ

H2O H H

O

ดดแปลงจาก : Brown, 2000 : 307

263

เมออะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยว มมพนธะจะแคบลงดงรปท 7.14

รปท 7.14 แสดงมมพนธะของมเทน แอมโมเนยและนา

7.3.3.2 ทฤษฎออรบทลเชงโมเลกล (Molecular Orbital Theory , MO Theory)

ทฤษฎออรบทล เปนทฤษฎทใชอธบายการเกดพนธะโคเวเลนต โดยใชออรบทลเชง

โมเลกล (molecular orbital) ซงเกดจากการรวมตวของออรบทลเชงอะตอม (atomic orbital) ของสอง

อะตอมเขาดวยกนเปนออรบทลเชงโมเลกล

สมมตฐานเกยวกบการเกดพนธะตามทฤษฎของออรบทลเชงโมเลกลมดงน

1. เมออะตอมเขาใกลกน ออรบทลเชงอะตอมของอเลกตรอนวงนอกสดจะรวมกนเกดเปน

ออรบทลเชงโมเลกล (molecular orbital, MO) เปนลกษณะเฉพาะของทงโมเลกล ไมไดเปนของ

อะตอมใดอะตอมหนงอยางเดยว โดยจานวนออรบทลเชงโมเลกลทเกดขนจะเทากบจานวนออรบทล

เชงอะตอมทมารวมกน เชนเมอไฮโดรเจน 2 อะตอมรวมกนเกดเปน H2 โมเลกล 1s ออรบทลจาก H

อะตอมทงสองจะรวมกนเกดเปนออรบทลเชงโมเลกล 2 ออรบทลทมระดบพลงงานไมเทากน

2. ออรบทลเชงโมเลกลจะจดเรยงตวตามลาดบพลงงานทเพมขน พลงงานสมพทธของ

ออรบทลเชงโมเลกลเหลานไดจากการทดลองเกยวกบสเปกตรมและสมบตแมเหลกของโมเลกล

3. เวเลนซอเลกตรอนในโมเลกลจะบรรจอยในออรบทลเชงโมเลกล โดยแตละออรบทลเชง

โมเลกลสามารถบรรจอเลกตรอนไดสงสด 2 ตว ตามหลกการกดกนของเพาลและอเลกตรอนจะบรรจ

อยใน ออรบทลเชงโมเลกลทมพลงงานตาสดจนเตมกอน แลวจงบรรจในออรบทลเชงโมเลกลทม

พลงงานสงขนตามลาดบ การบรรจอเลกตรอนในออรบทลเชงโมเลกลเปนไปตามกฎของฮนด คอเมอม

ออรบทลทมพลงงานเทากนวางอย อเลกตรอนจะบรรจในออรบทลเหลานออรบทลละ 1 ตวกอน ทาให

C N

H H

H

..

107.5°

O H

H

..

104.5°

H

H H

H 109.5°

มเทน (CH4) แอมโมเนย (NH3) นา (H2O)

264

เกดออรบทลทบรรจอเลกตรอนเดยว ออรบทลเชงอะตอมมชนด s p d และ f ออรบทลเชงโมเลกล

มชนด σ π และ δ

การรวมตวของออรบทลเชงอะตอมเปนออรบทลเชงโมเลกลม 2 แบบ คอ

1. ออรบทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะ เปนการเสรมกนโดยเอาฟงกชนคลนของอเลกตรอน

มาบวก ความหนาแนนของอเลกตรอนจะสงสดทบรเวณนวเคลยสของสองอะตอมทสรางพนธะเรยก

ออรบทลชนดนวา ออรบทลเชงโมเลกลสรางพนธะ (bonding molecular orbital) ออรบทลนจะม

พลงงานตากวาและเสถยรกวาออรบทลของอะตอมเดม

2. ออรบทลเชงโมเลกลแบบตานการสรางพนธะเปนการหกลางกน โดยเอาฟงกชนคลนของ

อเลกตรอนมาลบกน ความหนาแนนของอเลกตรอนระหวางนวเคลยสจะลดลงจนเปนศนย จงไมเกด

พนธะ เรยกออรบทลเชงโมเลกลแบบนวา ออรบทลเชงโมเลกลแบบตานการสรางพนธะ (antibonding

molecular orbital) (ใชเครองหมายดอกจน (∗) กากบทออรบทลเพอแสดงวาเปนออรบทลเชงโมเลกล

แบบตานการสรางพนธะ) ออรบทลนจะมพลงงานสงกวาและเสถยรนอยกวาออรบทลของอะตอมเดม

ออรบทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะ และแบบตานการสรางพนธะ แสดงในรปท 7.15 โดย

พจารณาอะตอมของธาต คาบท 1 ในตารางธาต กรณของธาตไฮโดรเจน ออรบทลเชงอะตอมคาบท 1

ในตารางธาตของ 1s ออรบทลเชงโมเลกลคอ σ 1s

เมออะตอมเขาใกลกน 1s ออรบทลจากอะตอมทงสองจะรวมกนเกดเปนออรบทลเชงโมเลกล

2 ออรบทล ออรบทลเชงโมเลกลออรบทลหนงจะมพลงงานตากวาออรบทลอะตอม การบรรจ

อเลกตรอนในออรบทลนจะทาใหโมเลกลเสถยรกวาอะตอมทแยกกนอย สวนออรบทลโมเลกลอกออร

บทลหนงจะมพลงงานสงกวาออรบทลอะตอม การบรรจอเลกตรอนในออรบทลนจงทาใหโมเลกลม

พลงงานเพมขนและไมเสถยร (ออรบทลเชงโมเลกลแบบตานการสรางพนธะ)

ออรบทลเชงอะตอมของ H

ออรบทลเชงโมเลกลแบบตานการสรางพนธะ

ออรบทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะของ H2

รปท 7.15 การสรางออรบทลเชงโมเลกลจาก 1s ออรบทล

เชงอะตอมของไฮโดรเจนอะตอม ทมา : Brown, 2000 : 331

265

พล

งงาน

แบบตานการสรางพนธะ

แบบสรางพนธะ

โมเลกล

อะตอม อะตอม

(ก) (ข)

รปท 7.16 แผนภาพพลงงานและการเกดออรบทลเชงโมเลกลของไฮโดรเจน (H2) (ก) ระดบพลงงานของออรบทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะและแบบตานการ

สรางพนธะในอะตอมของไฮโดรเจน

(ข) แสดงการเสรมสรางและการหกลางกนระหวาง 1s ออรบทลของไฮโดรเจน

เพอสรางออรบทลเชงโมเลกล

ทมา : Chang, 1998 : 399

พลงงาน

โมเลกล

อะตอม อะตอม

รปท 7.17 แผนภาพพลงงานออรบทลเชงโมเลกลของ Li2

ทมา : Chang, 1998 : 332, 403

266

พลงงาน

พลงงาน

โมเลกล H2 โมเลกล He

อะตอม He อะตอม He อะตอม H อะตอม H

(ก) (ข)

รปท 7.18 แผนภาพระดบพลงงานของ (ก) โมเลกลของไฮโดรเจน

(ข) โมเลกลของฮเลยม (ตามทฤษฎ)

ทมา : Brown , 2000 : 332, 403

ในกรณของ 2p ออรบทล กสามารถแสดงแผนภาพระดบพลงงานของออรบทลเชงโมเลกล

แบบสรางพนธะและแบบตานการสรางพนธะ

พจารณาธาตในคาบท 2

p - ออรบทลจะม 3 ออรบทล คอ 2px, 2py, 2pz ทงสามออรบทลมทศทางตงฉากกน การ

รวมตวกนของ p - ออรบทลจะมสองแบบคอ ออรบทลสองออรบทลรวมตวเขาหากนตามแนวปลาย

(end-to-end) ไดออรมทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะซกมา (σ) และแบบการตานพนธะซกมา (σ)

และอกแบบหนงเปนการรวมตวเขาหากนตามแนวขาง (side-to-side) ไดออรบทลเชงโมเลกลแบบสราง

พนธะไพ (π ) และแบบตานการสรางพนธะไพ (π) ดงรปท 7.19 และ 7.20

โดยทวไปพนธะค 1 พนธะจะประกอบดวย พนธะซกมา และพนธะไพ อยางละ 1 พนธะ สวน

พนธะสาม จะประกอบดวยพนธะซกมา 1 พนธะและพนธะไพ 2 พนธะ และพนธะซกมาจะเสถยรกวา

พนธะไพ

เราสมมตวา 2 px ออรบทลเกดออรบทลเชงโมเลกลซกมา สวน 2py, 2pz ออรบทลเกดเฉพาะ

ออรบทลเชงโมเลกลไพ ออรมทลเชงอะตอม 2pz, 2py จะตงฉากกน 2pz

สรป 1. ระดบพลงงานในออรบทลเชงอะตอมนน ถาเปนออรบทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะ จะม

ระดบพลงงานตากวา ออรบทลเชงอะตอมทใชสรางพนธะนน และถาเปนออรบทลเชงโมเลกลแบบ

ตานการสรางพนธะ จะมระดบพลงงานสงกวาออรบทลเชงอะตอมทใชสรางพนธะ

267

2. ออรบทลเชงโมเลกลแบบสรางพนธะ จะมพลงงานตากวาออรบทลเชงโมเลกลแบบตานการ

สรางพนธะ

3. ออรบทล s และ Pz จะรวมกน เกดออรบทลซกมา (σ) ในโมเลกลและออรบทล px, py

จะรวมกนเกดออรบทลไพ (π ) ในโมเลกล

การรวมตวของออรบทล เขยนแทนดวย σ σ xs

* y

การรวมตวของออรบทล p เขยนแทนดวย πx πx

s * πy , π Qs σ

ระดบพลงงานในออรบทล 1s 2s และ 2p แสดงในรปท 7.19

* ซงพลงงานออรบทลเชงอะตอมใน 1s < 2s < 2p และทานองเดยวกน

s

* * ระดบพลงงานในออรบทลเชงโมเลกล σs < σ และ

x y πx πy < π π โดยม

πx และ πy มคาระดบพลงงานเทากน

ออรบทลเชงโมเลกล ออรบทลเชงอะตอม

ออรบทลเชงอะตอม

รปท 7.19 ระดบพลงงานของออรบทลเชงโมเลกล ดดแปลงมาจาก : โครงการตาราฯ สอวน , 2547 : 174

268

รปท 7.20 แสดงการรวมตวกนของ p – ออรบทล

(ก) เมอ p – ออรบทล รวมตวกนตามแนวปลาย

(ข) เมอ p – ออรบทล รวมตวกนตามแนวขาง

ทมา : Chang, 1998 : 400

รปท 7.21 ออรบทลเชงโมเลกลทเกดจากการรวมออรบทลเชงอะตอม

(ก) 2pz เกดจากการรวมตวตามแนวปลาย

(ข) 2px หรอ 2py เกดการรวมตามแนวขาง

ทมา : โครงการตาราฯ สอวน, 2547 : 173

ทมา : Chang, 1998 : 400

ตานการสรางพนธะซกมา

อะตอม อะตอม

โมเลกล

แบบตาน

สรางพนธะซกมา แบบเสรม พล

งงาน

อะตอม อะตอม

ก

ข

แบบตาน ตานการสรางพนธะไพ

สรางพนธะไพ

แบบเสรม

พลงงาน

พล

งงาน

(ก)

(ข)

269

7.3.3.3 อนดบพนธะ (Bond order)

ตามทฤษฎออรบทลเชงโมเลกล (molecular orbital , MO) อะตอมมารวมกนเปนโมเลกล

ไดเมอพลงงานลดลงตากวาพลงงานในออรบทลเชงอะตอม โมเลกลจะเสถยรและจาก MO ทาให

ทราบวาโมเลกลนน ๆ เกดไดหรอไม มพนธะอะไรบาง กพนธะ โดยดจากอนดบพนธะ ซงหาไดจาก

อนดบพนธะ = 2

1 (จานวนอเลกตรอนในออรบทลทสรางพนธะ – จานวนอเลกตรอน

ในออรบทลทตานการสรางพนธะ)

อนดบพนธะจะแสดงถงความแขงแรงของพนธะ โมเลกลทมคาพนธะอนดบสงจะมพนธะท

แขงแรงกวาโมเลกลทมคาอนดบพนธะตา ถาคาอนดบพนธะเปนศนยหรอมคาลบ แสดงวาพนธะ

ไมเสถยร โมเลกลจะเกดขนไมได

พจารณาอนดบพนธะ

สาหรบ H2 : มอเลกตรอนทสรางพนธะ 2 ตว ไมมอเลกตรอนทตานการสรางพนธะ

สาหรบ He2 : โมเลกลจะมอเลกตรอนทสรางพนธะ 2 ตว มอเลกตรอนทตานการสรางพนธะ 2 ตว

อนดบพนธะ = 2

1(2-2) = 0

แสดงวาไมมพนธะ ดงนน ไมมโมเลกลของ He2 หรออกนยหนง คอ He จะรวมตวกนสอง

อะตอมเปน He2 ไมได

7.3.3.4 ทฤษฎพนธะเวเลนต (Valence Bond Theory, VB Theory)

โครงสรางลวอส และทฤษฎผลกคอเลกตรอนในวงเวเลนซ (VSEPR) ใหขอมลและใช

อธบายเกยวกบรปทรงทางเรขาคณตหรอรปรางของโมเลกลไดดรวมทงการกระจายของอเลกตรอนใน

โมเลกล แตไมไดอธบายวาทาไมอะตอมจงเกดพนธะระหวางกนได นกวทยาศาสตรไดพฒนาพนธะ

โคเวเลนต โดยนาความรกลศาสตร ควอนตมมาใชในการแกปญหา เพออธบายการเกดพนธะและ

รปทรงของโมเลกลในความหมายของออรบทลเชงอะตอม

ไลนส พอลง (Linus Pauling) และเจซ สเลเตอร (J.C. Slater) ไดเสนอทฤษฎทใชอธบาย

การเกดพนธะโคเวเลนตขน ในป ค.ศ. 1930 เรยกทฤษฎนวา ทฤษฎพนธะเวเลนต (Valence Bond

270

Theory – VB) โดยแนวคดของทฤษฎนจะบอกลกษณะการรวมของออรบทลเชงอะตอมของอะตอม

หนง กบอกอะตอมหนง ซงจะสอดคลองกบทฤษฎของ VSEPR

ตามทฤษฎนพนธะโคเวเลนตเกดขนโดยออรบทลเชงอะตอมของอะตอมหนงทมเวเลนซ

อเลกตรอน 1 ตว ซอนเหลอม (overlap) กบออรบทลเชงอะตอมของอกอะตอมหนงทมเวเลนซ

อเลกตรอน 1 ตวเชนกน และอเลกตรอนทงสองจะจดตวใหมทศทางการหมน (spin) ตรงกนขาม เชน

โมเลกลของ H2 พนธะโคเวเลนต H – H เกดจากการซอนเหลอมกนของ 1s ออรบทล ดงรปท 7.22

การซไฮโดรเจนอะตอมแตละอะตอม อนเหลอมกนของสองออร พนธะโคเวเลนตของ H2

รปท 7.22 พนธะ H – H เกดจาการซอนเหลอมกนของ 1s ออรบทล ของอะตอมไฮโดรเจน

ทมา : Brady, 2004 : 418

การทออรบทลซอนเหลอมกน ในการสรางพนธะพลงงานของอะตอมทงสองจะลดตาลง เกด

แรงดงดดระหวางอเลกตรอนของอะตอมหนงกบนวเคลยสของอกอะตอมหนง และเกดแรงผลก

ระหวางอเลกตรอนกบอเลกตรอนและระหวางนวเคลยสกบนวเคลยส เมอเขาใกลกนระยะหนง แรง

ดงดดจะมากกวาแรงผลก ซงเปนระยะทเหมาะสมในการเกดโมเลกลและมพลงงานศกยตาสด ถา

อะตอมเขาใกลกนมากกวาระยะน แรงผลกจะมากกวาแรงดงดดและพลงงานศกยจะสงขน อะตอมก

ไมสามารถรวมกนเปนโมเลกลได ดงรปท 7.23

พลงงาน

(k

J/mole

)

ระยะระหวาง H - H

รปท 7.23 การเปลยนแปลงพลงงานศกยระหวางเกดโมเลกลของ

ไฮโดรเจนกบระยะระหวางอะตอมทงสองของไฮโดรเจน คาพลงงานศกยตาสด – 436 kJ/mol มระยะ 74 pm ทมา : Kotz, 2004 : 382

271

จานวนพนธะทอธบายโดยทฤษฎ VB น จะมไดเทากบจานวนออรบทลทมอเลกตรอนเดยว

เทานน ซงจะเปนออรบทลชนดเดยวกนหรอเปนออรบทลคนละชนดกได

การเกดซอนกนของ s – ออรบทล กบ s – ออรบทล หรอ s – ออรบทล กบ p – ออรบทล คอ

pz เรยกพนธะซกมา (Sigma bond, σ) เปนการซอนเหลอมกนแบบตามแนวปลาย ซงความหนาแนน

ของอเลกตรอนจะมากทสดตามแนวแกนของพนธะ สวนการซอนเหลอมกนของ p – ออรบทล คอ

ออรบทล pX กบ pX หรอ ออรบทล py กบ py เรยกพนธะไพ (pi – bond, π) เปนการซอนเหลอมกน

แบบตามแนวขาง

ความแขงแรงของพนธะโคเวเลนต จะขนกบการซอนเหลอมกน คอถาระยะระหวางนวเคลยส

ของทงสองอะตอมนอย พนธะจะแขงแรง ซงอเลกตรอนทใชในการสรางพนธะ จะเปนอเลกตรอน

ประจาท (localized - electron)

7.3.3.5 ไฮบรไดเซซนของออรบทลเชงอะตอม (Hybridization of Atomic Orbital)

จากทฤษฎพนธะเวเลนต ทอธบายการซอนเหลอมกนของออรบทลทาใหเขาใจ การเกด

พนธะ โคเวเลนต แตทฤษฎนไมสามารถอธบายการเกดพนธะของโมเลกลทมหลายอะตอมได

พจารณาโมเลกลของมเทน (CH4) จากโครงสรางลวอส มเทนจะมพนธะโคเวเลนต C – H อะตอมม

รปรางเปนแบบทรงสหนา มมมพนธะ 109.5° ซงพนธะทง 4 นน จะเหมอนกน

แตจากแนวคดของทฤษฎเวเลนตทใชหลกการซอนเหลอมกนของออรบทล โดย p – ออร

บทลทบรรจอเลกตรอนเดยว 2 ออรบทล ซอนเหลอมกบ s – ออรบทลของไอโดรเจน เกดพนธะได 2 พนธะเปน

CH2 ซงในธรรมชาตไมเสถยร ดงนนการเกด CH2 จะตองมการสรางพนธะ C – H 4 พนธะ ดงนนแสดง

วาอเลกตรอนในอะตอมของ C จะตองมการเปลยนแปลง เพอจดออรบทลใหมอเลกตรอนเดยวเพยง 1

ตว จะไดสรางพนธะกบอเลกตรอนเดยว 1 ตว ของ H แตละอะตอมได ซงพนธะทง 4 น เหมอนกน ม

พลงงานพนธะเทากนเปนพนธะซกมา

6C Is 2 2s 2 2p 2

กระตนอเลกตรอน

จะมออรบทลทมอเลกตรอนเดยว 4 ออรบทล

↑

2s 2p

1s 2s 2p ↑↓ ↑↓ ↑ ↑

↑↓ ↑ ↑ ↑

การรวมกนของออรบทลทง 4 คอ จากออรบทล 2s 1 ออรบทลและจากออรบทล 2p อก 3

ออรบทล เปนออรบทลใหมเรยกวา ไฮบรดออรบทล (hybrid orbital)

S P

↑ ↑ ↑ ↑

sp3 ไฮบรดออรบทล (มอเลกตรอนเดยว 4 ตว)

ดงนนไฮบรไดเซซน หมายถง กระบวนการผสมออรบทล โดยทออรบทลอะตอมรวมตวกนเกด

เปนไฮบรดออรบทล

ทฤษฎไฮบรดออรบทล สามารถอธบายการเกดพนธะในมเทนไดวา เมอไฮโดรเจนทง 4

อะตอมเขาใกลอะตอมของคารบอน เวเลนตออรบทลของคารบอน จะรวมตวกนเกดเปน sp3 ไฮบรด

ออรบทล 4 ออรบทล ทมพลงงานเทากนและรปรางเหมอนกน และพยายามจดเรยงตวใหอยกนหาง

มากทสด เพอลดแรงผลกระหวางอเลกตรอน โดยจดเรยงตวเปนทรงสหนาและคารบอนจะใช sp3

ไฮบรดออรบทลรวม โดยการซอนเหลอม (overlap) กบ 1s ออรบทลของอะตอมของไฮโดรเจน เกด

พนธะซกมา 4 พนธะ ดงแสดงในรปท 7.23

ไฮบรดออรบทลของอะตอมกลางในสารประกอบ มทศทางเฉพาะตว กระบวนการนทาให

สามารถทราบรปรางของโมเลกล และมมระหวางพนธะในโมเลกล ซงทศทางของไฮบรดออรบทล จะ

ขนกบชนดของไฮบรไดเซซนนน คอ sp sp2 sp3 sp3d และ sp3d 2 ดงจะไดกลาวตอไปน

1. sp – ไฮบรไดเซซน (sp – hybridization) เกดจากการไฮบรไดเซซนของ s ออรบทล 1 ออรบทล และ p ออรบทล 1 ออรบทล ทาให

เกด sp ไฮบรดออรบทล 2 ออรบทล มรปรางเปนเสนตรงทามมกน 180°

s ออรบทล + p ออรบทล sp – ออรบทล ตวอยางท 7.8 พจารณาโมเลกลของ เบอรลเลยมคลอไรด (BeCl2)

Be มเวเลนซอเลกตรอน

Cl มเวเลนซอเลกตรอน

1s 2s ↑↓ ↑↓

1s 2s 2p 3s 3p ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑↓ ↑↓ ↓↑

249

อะตอมของแบรลเลยม ซงเปนอะตอมกลางออรบทล จะรวมตวกนปน sp – ไฮบรดออรบทล

โดย s 1 ออรบทล และ p 1 ออรบทล

ไฮบรไดเซชน

2p 2p ออรบทลทไมเปลยนแปลง

↑ ↑

↑↓

2s

พลงงาน

s p ไฮบรดออรบทล

รปท 7.24 แผนภาพแสดง 2s ออรบทล และ 2p ออรบทล รวมตวกน เปน sp ไฮบรดออรบทลของ Be

สาหรบโมเลกลของ Be Cl2 พนธะ Be – Cl เกดจากการซอนเหลอมของ sp ไฮบรดออรบทล

ของ Be และ 3p ออรบทลของ Cl ไดโมเลกลมรปทรงเปนเสนตรง ดงรปท 7.25

ไฮบรไดเซชน

s ออรบทล p ออรบทล ไฮบรดออรบทล

(ก)

(ข)

รปท 7.25 การเกด sp – ไฮบรไดเซชน (ก) แสดงรปทรงและการเรยงตวของ sp – ออรบทล และ

ไฮบรดออรบทลอยบนแนวเสนตรงแทน x ทามม 180° (ข) แสดงรปทรงโมเลกลของ BeCl2 เปนเสนตรง

ทมา : Chang ,1998 : 388

250

2. sp2 – ไฮบรไดเซซน (sp2 – hybridization) เกดจากการไฮบรดเซซนของ s ออรบทล 1 ออรบทล และ p ออรบทล 2 ออรบทล ทาให

เกด sp2 ไฮบรดออรบทล 2 ออรบทล ทาใหเกด sp2 ไฮบรไดเซซน 3 ออรบทล มรปรางเปนแบบแบน

ราบ

1 s ออรบทล + 2 p ออรบทล 3 sp2 ไฮบรดออรบทล

ตวอยางท 7.9 พจารณาโมเลกลของ โบรอนไตรฟลออไรด (B F3)

5B มเวเลนซอเลกตรอน

9F มเวเลนซอเลกตรอน

อะตอมของ B เปนอะตอมกลาง ออรบทลจะรวมตวกนโดย s 1 ออรบทล และ p 2 ออรบทล

รวมกนเปน sp2 ไฮบรดออรบทล

p ออรบทลวาง

ไฮบรไดเซชน

รปท 7.26 แผนภาพแสดง 2s ออรบทลและ 2p ออรบทล รวมกนเปน sp2 – ไฮบรดออรบทลของ B

1s 2s ↑↓ ↑↓ ↑

2p

1s 2s 2p ↑↓ ↑↓

↑↓ ↑↓ ↑

sp2 ไฮบรดออรบทลใน BF

พลงงาน

2p ↑

↑ ↑ ↑

↑↓

2s

251

ไฮบรไดเซชน

s ออรบทล

p ออรบทล Sp2 ไฮบรดออรบทล

(ก)

(ข)

รปท 7.27 การเกด sp2 ไฮบรไดเซซน (ก) แสดงรปทรงการเรยงตวของ sp2 ไฮบรดออรบทล

ทอยบนระนาบเดยวกน ทามม 120°

(ข) แสดงรปทรงโมเลกลของ BF3 ลกษณะแบนราบ

พนธะ B – F เกดจาก sp2 ไฮบรดออรบทล ซอนเหลอม

กนกบ 3p ออรบทลของ F

ทมา : Chang, 1998 : 389

3. sp3 – ไฮบรไดเซซน (sp3 – hybridization) เกดจากการรวมตวของ s 1 ออรบทล และ p 3 ออรบทล ไดเปน s p3 ไฮบรดออร

บทล 4 ออรบทล ทมรปรางเหมอนกน มพลงงานเทากน และจดเรยงตวกนใหอยหางกนมากทสด ทา

มม 109.5° เปนรปทรงสหนา (Tetrahedral)

1 s ออรบทล + 3 p ออรบทล 4 sp3 ไฮบรดออรบทล

252

ตวอยาง เชน โมเลกลของ มเทน (C H4)

C6 มเวเลนซอเลกตรอน 1s ↑↓

2s ↑↓

2p ↑ ↑

H1 มเวเลนซอเลกตรอน

C เปนอะตอมกลาง ออรบทล จะ รวมตวกน โดย 2s ออรบทล 1 ออรบทล

และ 2 p ออรบทล 3 ออรบทล เปน 4 sp3 ไฮบรดออรบทล

1s ↑

รปท 7.28 แผนภาพแสดง 2 s ออรบทล และ 2 p ออรบทลผสมผสานเปน sp3

ไฮบรดออรบทลของ B

(ก)

รปท 7.29 การเกด sp3 ไฮบรดไดเซชน

(ก) s ออรบทล และ p ออรบทล 3 ออรบทล รวมตวกนจด

รปทรงเปนทรงสหนา ทามมกน 109.5°

(ข) แสดงรปทรงโมเลกล CH4 ลกษณะทรงสหนา โดย C ใช sp3

ไฮบรดออรบทล ซอนเหลอมกบ 1s ออรบทลของ H

(ข) ทมา : Chang, 1998 : 386

2p

2s

พลงงาน

sp3 ไฮบรดออรบทล

↑ ↑

ไฮบรไดเซชน

↑↓

↑ ↑ ↑ ↑

ไฮบรไดเซชน

Sp3 ไฮบรออรบทล

253

4. sp3d – ไฮบรไดเซซน (sp3d – hybridization)

เกดจากการใช s ออรบทล 1 ออรบทล p ออรบทล 3 ออรบทล และ d ออรบทล 1 ออร

บทล รวมกนเปน 5 sp3d ไฮบรดออรบทล มรปทรงเปนพรามดคฐานสามเหลยม (Trigonal

bipyramid) มมมระหวางแกนเปน 90° และ 120°

1 s ออรบทล + 3 p ออรบทล + d ออรบทล sp3d ไฮบรดออรบทล

พจารณาโมเลกล ฟอสฟอรสเพนตะคลอไรด (PCl5)

P มเวเลนซอเลกตรอน 3p

↑ ↑ ↑ 3s ↑↓

3p ↑↓ ↑↓ ↑

3s ↑↓ Cl มเวเลนซอเลกตรอน

พลงงาน

3d 3d ออรบทลวาง

ไฮบรไดเซชน 3p

↑ ↑ ↑

sp3d ไฮบรดออรบทล ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

3s ↑↓

รปท 7.30 แผนภาพแสดง 3s 3p และ 3d ออรบทล

รวมกนเปน sp3d ไฮบรดออรบทล

254

รปทรงพรามดคฐานสามเหลยม

Sp3d ไฮบรดออรบทล แบบจาลองทรงกลมและกาน

(ball – and – stick)

120°

90°

แบบ สเปซ–ฟลล

ง (Space–filling) ของ PCl5

รปท 7.31 แสดงการเกด sp3d ไฮบรไดเซซน และรปทรงโมเลกลแบบพรามดค ฐานสามเหลยมของ PCl5

ทมา : Petrucci ,1993 and Silberberg, 2006 : 376 , 410

5. sp3d2 – ไฮบรไดเซซน (sp3d 2 – hybridization)

เปนการผสมผสานระหวาง s 1 ออรบทล p 3 ออรบทล และ d 2 ออรบทล เปน sp3d 2

ไฮบรดออรบทล มรปทรงเปนทรงแปดหนา (octahedron) มมระหวางแกนเทากบ 90°

ไฮบรดออรบทล ออรบทล sp3d 21-s ออรบทล + 3-p ออรบทล + 2-d

ตวอยาง เชน โมเลกลของซลเฟอรเฮกซะฟลออไรด (S F6)

S มเวเลนซอเลกตรอน

F มเวเลนซอเลกตรอน

3s

2s

3p

2p

3d ↑↓ ↑↓

↑↓

↑ ↑

↑↓ ↑↓ ↑

255

3p

3s

3d 3d ออรบทลวาง

sp3d2 ไฮบรดออรบทล

ไฮบรดออรบทล ↑ ↑ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

↑↓

พลงงาน

รปท 7.32 แผนภาพแสดง 3s 3p และ 3d ออรบทล รวมกนเปน sp3d2 ไฮบรดออรบทล

พนธะ S – F 6 พนธะสรางจากการซอนเหลอมกนของไฮบรดออรบทลของ s กบ 2p ออร

บทลของ F ไดโครงรางโมเลกลเปนแบบรปทรงแปดหนา ดงรปท 7.33

ไฮบรดออรบทล รปทรงแปดหนา แบบจาลองทรงกลมและกาน

(ball – and –stick)

แบบสเปซฟลลง (space – filling) ของ SF6

รปท 7.33 แสดงการเกด sp3d2 ไฮบรไดเซชน และรปทรงโมเลกล แบบทรงแปดหนาของ SF6

ทมา : Petrucci ,1993 and Silberberg, 2006 : 404

จากการทออรบทลเชงอะตอมผสมกนเปนไฮบรดออรบทล ทาใหไดแบบจาลองทสามารถใช

ทฤษฎ VSEPR อธบายการเกดพนธะโคเวเลนตในโมเลกลได

การผสมออรบทล ระหวาง s p d ออรบทลแบบตาง ๆ เปนลกษณะเฉพาะของไฮบรดออร

บทล ซงรวบรวมแสดงในตารางท 7.11

256

ตารางท 7.11 การจดรปทรงของไฮบรดออรบทลแบบตาง ๆ

ออรบทลเชง

อะตอมของ

อะตอมกลาง

แบบไฮบรไดเซชน จานวนของ

ไฮบรดออรบทล

รปทรงของ

ไฮบรดออรบทล

ตวอยาง

sp

sp

2

เสนตรง

Be F2

Be Cl2Hg Cl2

spp

sp2

3

สามเหลยม

แบบราบ

BF3

SO3

sppp

sp3

4

ทรงสหนา

CH4 , NH3-

H2O , NH4+

sppp d

sp3d

5

พรามดฐานคสามเหลยม

PF5, PCl5SF4, BrF3

Sb Cl52-

sppp dd

sp3d2

6

ทรงเหลยม แปดหนา

SF6, ClF5-

Xe F4, PF6

ทมา : Brown, 2000 : 323

257

ไฮบรไดเซชนในโมเลกลทมพหพนธะ

สาหรบโมเลกลทมพนธะแบบพหพนธะคอมพนธะค และพนธะสามทอะตอมกลางซงจาก

ทฤษฎพนธะเวเลนต อธบายวาพนธะเคมทเกดจากการซอนเหลอมกน ของออรบทลเชงอะตอม มสอง

แบบคอ พนธะซกมาและพนธะไพ ดงไดกลาวมาแลว โดยในโมเลกล

• พนธะค จะประกอบดวย – 1 พนธะซกมา และ 1 พนธะไพ

• พนธะสาม ประกอบดวย – 1 พนธะซกมา และ 2 พนธะไพ

พนธะซกมา (σ) เกดจาก ไฮบรดออรบทลของอะตอมกลาง ซอนเหลอมกบออรบทลเชง

อะตอมของอกอะตอมหนง สวนพนธะไพ (π) ในพนธะคหรอพนธะสามนน เกดจากการทเมอเกดการ

ไฮบรไดเซชนแลวมออรบทลวางอย

ในแบบ sp และ sp2 ไฮบรไดเซชน ซงใน sp ม p ออรบทล p วางอย 1 ออรบทล และใน sp2 ม

p ออรบทลวางอย 2 ออรบทล ดงนนแบบ sp2 จะเกดพนธะค และแบบ sp จะเกดพนธะสาม

C CH

HH

H

H H N N

1 พนธะซกมา 1 พนธะซกมา กบ

1 พนธะไพ

1 พนธะซกมา กบ

2 พนธะไพ

พจารณาโมเลกลของเอทลน ( C2H4 )

โครงสรางลวอส

C CH

HH

H

โมเลกลมรปรางเปนแบบสามเหลยมแบนราบมมมพนธะเทากบ 120° แสดงวาทกอะตอมใน

โมเลกลอยในระนาบเดยวกน จากโครงสรางเปนพนธะค แสดงวา C ใช sp2 ไฮบรดออรบทลในการ

สรางพนธะซกมา 2 พนธะกบ H และ 1 พนธะ กบ คารบอน อกอะตอมหนง และใช p ออรบทลทเหลอ

ในการสรางพนธะไพ

C มเวเลนซอเลกตรอน ↑↓ 2s 2p

↑ ↑

258

H มเวเลนซอเลกตรอน 1s ↑

รปท 7.34 แผนภาพแสดง ออรบทลเชงอะตอมและการเกดไฮบรไดเซชนของ C ใน C2 H4

การซอนเหลอมกนของ p ออรบทลทไมไดไฮบรดเกดเปนพนธะไพ (π)

แสดงภาพรวมพนธะ σ และพนธะ π ในโมเลกล C2H4

รป 7.35 การเกดพนธะค ของ C – C ในโมเลกลเอทลน C2H4

ทมา : โครงการตาราฯ สอวน, 2547 : 167

sp2 ไฮบรดออรบทลและ

p ออรบทลทไดไฮบรด

การซอนเหลอมกนของ sp2 ไฮบรดออรบทล

เกดเปนพนธะ σ ระหวาง

C – C และ C - H

2p

2s

2p ออรบทลไมไดไฮบรด

(สาหรบสรางพนธะไพ) ไฮบรไดเซชน

พลงงาน

sp2 ไฮบรดออรบทล (สาหรบสรางพนธะซกมาระหวาง C – H และ C – C)

↑ ↑ ↑

↑↓

↑ ↑ ↑

259

พจารณาโมเลกลของอะเซทลน (C2H2)

โครงสรางแบบลวอส เปน H – C ≡ C – H

โมเลกลมรปรางเปนเสนตรง คารบอน ใช sp ไฮบรดออรบทลในการสรางพนธะซกมา

ระหวาง C - C และ C - H สวนอเลกตรอนใน p ออรบทลทอยในแนวตงฉาก อกสองออรบทลของ C

แตละอะตอม จะซอนเหลอมกน เกดพนธะไพ 2 พนธะ

C มเวเลนซอเลกตรอน

H มเวเลนซอเลกตรอน

รปท 7.36 แผนภาพแสดง ออรบทลเชงอะตอมและการเกด

ไฮบรไดเซชนของ C ใน C2 H2

2s ↑↓

2p ↑ ↑

↑1s

p ออรบทลท

2p

2s

2p ↑ ↑

ไมไดไฮบรด

sp ไฮบรดออรบทล

ไฮบรดไดเซชน

↑ ↑

↑ ↑ ↑↑

พลงงาน

การซอนเหลอมกนของ sp ไฮบรดออรบทล

เกดพนธะ σ และของ p ออรบทล

เกดพนธะ π

sp ไฮบรดออรบทล และ

p ออรบทลทไมไดไฮบรด

การซอนเหลอมกนของ p ออรบทลทไมไดไฮบรดเกดเปนพนธะ π

260

แสดงภาพรวมการเกดพนธะ σ และพนธะ π ในโมเลกล C2H4

รป 7.37 การเกดพนธะสามของ C – C โมเลกลของอะเซทลน C2H2

ทมา : โครงการตาราฯ สอวน, 2547 : 168

7.4 ทฤษฎทใชอธบายพนธะโลหะ

ในโมเลกลของโลหะ อะตอมจะยดเหนยวกนดวย พนธะโลหะ (metallic bond) ซงเกดจาก

แรงดงดดระหวางไอออนบวก และเวเลนซอเลกตรอน ทเคลอนทโดยรอบไมไดเปนของ อะตอมใด

อะตอมหนงเพยงอะตอมเดยว

ทฤษฎทใชอธบายเกยวกบพนธะโลหะ มแบบจาลองนวตรอนและและอเลกตรอนและทฤษฎ

แถบพลงงาน ซงจะไดกลาวตอไป

7.4.1 แบบจาลองทะเลอเลกตรอน (Electron Sea Model) จากสมบตของโลหะทนาไฟฟา นาความรอนไดตทแผเปนแผนบาง ๆ หรอยดเปนเสน ๆ ได

และ มลกษณะมนวาว เนองจากสมบตของพนธะโลหะนนเอง ซงสามารถอธบายไดโดยแบบจาลอง

ทะเล-อเลกตรอน ซงความแขงแรงของพนธะจะเพมขนเมอจานวนเวเลนซอเลกตรอนเพมขน และจะม

ผลทาใหจดหลอมเหลวของโลหะสงขน

ธาตในหมท 6 B (VI B) ซงอยตรงกลางของโลหะแทรนซชน คอ Cr, Mo, W จะมจด

หลอมเหลวสงทสด ดงตารางท 7.12

261

ตารางท 7.12 จดหลอมเหลวของโลหะแทรนซชนบางตว

หมของโลหะ โลหะ จดหลอมเหลว(mp)

(°C)

หม 3 B Sc

Y

La

1,541

1,522

918

หม 6 B Cr

Mo

W

1,857

2,617

3,410

หม 8 B Ni

Pd

Pt

1,455

1,554

1,772

ทมา : Brown, 2000 : 910

แบบจาลองทะเลอเลกตรอนแสดงในรปท 7.38 อเลกตรอนจะเคลอนทโดยรอบไอออนบวกของโลหะ

รปท 7.38 แบบจาลองทะเลอเลกตรอน

ทมา : Brown , 2000 : 909

ในกรณนแมวาอะตอมจะเปลยนตาแหนง กไมทาใหเกดการเปลยนแปลงระดบพลงงานของ

อเลกตรอน ดงจะเหนในรปท 7.39 โลหะเมอถกกระทาดวย แรงจะเปลยนเปนรปตาง ๆ เชน เปนแผน

เปนเสนลวด ไดโดยไมทาลายพนธะ

262

รปท 7.39 เมอโลหะเปลยนแปลงรปอะตอมจะเปลยนตาแหนง เนองจากเวเลนซอเลกตรอนเคลอนทได

ทมา : Olmsted, 2002 : 446

แบบจาลองอเลกตรอน สามารถใชอธบายสมบตตาง ๆ ของโลหะไดเปนอยางด แตไมสามารถ

อธบายสมบตบางประการในเชงปรมาณได เชน ความจความรอน ระดบพลงงานของอเลกตรอนใน

โลหะ ซงจะตองอธบายโดยใชทฤษฎแถบพลงงานของโลหะ ดงจะกลาวตอไป

7.4.2 ทฤษฎแถบพลงงานของโลหะ (Band Theory of Metal) การทโลหะนาความรอนและไฟฟาไดนน ในการอธบายตองอาศยความร ทางกลศาสตร

ควอนตมดวย ทฤษฎทใชการศกษาการเกดพนธะโลหะ เรยกวา ทฤษฎแถบพลงงาน (band theory)

ทงนจากการเคลอนทของอเลกตรอนอยางอสระในแถบพลงงานทเกดจากการซอนเหลอมกนของออร

บทลเชงโมเลกล จะเทากบจานวนออรบทลเชงอะตอมนน การซอนเหลอมกนน มทงแบบการสราง

พนธะ (bonding) และแบบการตานการสรางพนธะ (antibonding) พจารณาอะตอมของลเทยม (Li)

เมอออรบทลเชงอะตอม (AOs) รวมกนเปนออรบทลเชงโมเลกล (MOs) จานวนเทากน เมอ

เพมจานวนอะตอมของลเทยม เชน Li2 (Dilithium) ซงแตละอะตอมม 4 เวเลนตออรบทล (2s, 2p) ถา

Li4 Li แตละอะตอมม 2s 1 ออรบทล ในการสรางพนธะจะเปน 16 ออรบทลเชงโมเลกล

263

รปท 7.40 แสดงแถบออรบทลเชงโมเลกลในผลกโลหะ กรณของ Li เมออะตอม

เพมขน Li , Li2 , Li3 , Li4 ….Lin ออรบทลเชงโมเลกลจะเพมขนจนม พลงงานใกลกน เกดแถบออรบทลเชงโมเลกล

ทมา : Kotz, 2004 : 407

ในโลหะนนออรบทลเชงโมเลกลจะกระจายครอบคลมหลายอะตอม และรวมกนเปนแถบของ

ออรบทลเชงโมเลกล แถบจะเพมขน เมอออรบทลเพม ในแตละออรบทลเชงโมเลกลจะมอเลกตรอน

2 ตว หมนในทศทางตรงกนขาม

เมอจานวนอะตอมมากขน จานวนออรบทลเชงโมเลกลจะมากขน ระดบพลงงานจะตางกน

นอยลง ซงระดบพลงงานทใกลชดกนมากน จะดเปนแถบตอเนองกน เรยกแถบพลงงาน (energy

bands) ซงจะบงถงสมบตของโลหะนน ความหางระหวางแถบพลงงานขนกบระดบพลงงานของ

ออรบทลเชงอะตอม และระยะระหวางอะตอมในโลหะ ถาออรบทลเชงอะตอมมระดบพลงงานจะม

อเลกตรอนบรรจเพยงครงเดยว (partially filled band) เมอไดรบพลงงานจะเลอนไปยงออรบทลทม

พลงงานสง ทาใหอเลกตรอนเคลอนทไปไดทวผลกโลหะ แถบพลงงานนเรยก แถบอนญาต (allowed

band) อยตดกน แตถาแถบพลงงานสองแถบมพลงงานตางกน มชองวางระหวางแถบพลงงานทงสอง

เรยกชองวางนวา ชองตองหาม (forbidden gap) แผนภาพแถบพลงงาน แสดงในรปท 7.41

264

โลหะ ฉนวน สารกงตวนา

แถบนาไฟฟา

ชองตองหาม (ชองวางขนาดใหญ)

แถบเวเลนต

แถบพลงงาน บรรจอเลกตรอน

แถบซอนเหลอมกน

แถบทเตมแลว (valence

ชองวางขนาดเลก

แถบวาง (แถบนาไฟฟา) (conduction band)

พลงงาน

หรอ

รปท 7.41 ความแตกตางในแถบพลงงานของออรบทลใน โลหะฉนวนและสารกงตวทา

ทมา : Moore, 1998 : 691

ในสารกงตวนามชองวางขนาดเลก อเลกตรอนสามารถเคลอนทผานชองวางระหวางแถบพลงงาน

ได ทาใหมสมบตนาไฟฟา สวนในอโลหะมชองวางขนาดใหญ แถบพลงงานหางกนมาก อเลกตรอน

ไมสามารถเคลอนทไปยงแถบพลงงานทสงกลาวได อโลหะจงไมนาไฟฟา

7.5 แรงระหวางโมเลกล (Intermolecular Force) แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลเปนแรงทมความแขงแรงนอยแตมผลตอสมบตทางกายภาพของ

สารเกยวกบจดเดอด จดหลอมเหลว แรงประเภทนไดแก แรงแวนเดอรวาลสและพนธะไฮโดรเจน

7.5.1 แรงแวนเดอรวาลส (Van der Waals Force)

แรงแวนเดอรวาลส เปนแรงดงดดระหวางโมเลกล มคานอยมากมากเมอเทยมกบพนธะ

ไอออนและพนธะโคเวเลนต แบงเปน 3 ประเภท

1. แรงระหวางโมเลกลมขว (dipole – dipole interaction) เปนแรงดงดดระหวางโมเลกลม

ขวและโมเลกลมขว ทาใหจดเดอดและจดหลอมเหลวสงกวาโมเลกลไมมขว

2. แรงระหวางโมเลกลมขวกบโมเลกลไมมขว (dipole induced dipole interaction) โดย

โมเลกลมขวจะเหนยวนาใหโมเลกลไมมขว เกดขวขนเลกนอย ทาใหเกดแรงดงดดระหวางขวตางกนได

เรยกแรงชนดนวา แรงเหนยวนา (Induction force) หรอเรยกแรงเดอบาย (Debye fore) แรงชนดนจะ

มากหรอนอยขนอยกบความสามารถในการเกดขวของโมเลกลทถกเหนยวนาโดยบรเวณทมเลกตรอน

หนาแนนมากกวาจะเปนขวลบ และบรเวณทอเลกตรอนมความหนาแนนนอยจะเปนขวบวก

265

3. แรงระหวางโมเลกลไมมขว บางทเรยกแรงกระจาย (dispersion force) หรอแรง

ลอนดอน (London force) แรงทเกดขนเพราะอเลกตรอนมการเคลอนอยในโมเลกลตลอดเวลา การ

กระจายของอเลกตรอนในขณะใดขณะหนงอาจไมเทากน ทาใหโมเลกลเกดมขวขนเลกนอย (δ+, δ– )

แสดงดงรปท 7.42 และอาจไปเหนยวนาใหโมเลกลอนเกดขวขน ทาใหมแรงดงดดระหวางโมเลกล

เกดขน แรงนมคานอยมาก เมอเทยบกบพนธะโคเวเลนต เกดขนเฉพาะชวงสน ๆ กบโมเลกลทเขามา

ใกลชดกน

รปท 7.42 แรงลอนดอน(ประจบวกชวคราวดงดดประจลบชวคราวของอกโมเลกลหนง) ทมา : Moore, 1998 : 424

7.5.2 พนธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bond)

พนธะไฮโดรเจนเปนแรงระหวางโมเลกลทมคามาก ดงดดกนระหวางไฮโดรเจนกบธาตทม

สภาพไฟฟาลบสง (EN) เชน F, O, N สารประกอบทมพนธะไฮโดรเจน จะมจดเดอดจดหลอมเหลวสง

กวาสารประกอบอน

H F H Fδ+ δ+δ− δ−

พ นธะไฮโดรเจน

OHH O

H

H

O HH

NH

HH

NH

HH

พ นธะไฮโดรเจน พ นธะไฮโดรเจน

ความแขงแรงของพนธะไฮโดรเจน ขนอยกบความแตกตางของคา EN ของไฮโดรเจนกบธาต

ทสรางพนธะ (N < O < F) เมอเรยงลาดบความแขงแรงของพนธะไดดงน

แรงแวนเดอรวาลส < พนธะไฮโดรเจน < พนธะโคเวเลนต ขนาดของแรงแสดงในตารางท

7.13

266

ตารางท 7.13 ขนาดของแรงชนดตางๆ (kJ/mol)

ชนดของแรง ขนาดของแรง

(kJ/mol)

พนธะโคเวเลนต

แรงลอนดอน

แรงไดโพล – ไดโพล

พนธะไฮโดรเจน

150 – 1,000

0.05 – 40

5 – 25

10 - 40

267

คาถามทบทวนหนวยท 7 คาถามทบทวน 7.1

1. จงอธบายการเกดสารประกอบไอออน

2. เปรยบเทยบธาตหม IA กบหม VIIA ตางกนอยางไร

3. Mg Br2 มโครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอสอยางไร

4. สารประกอบ CH3 – CI เปนสารประกอบชนดใด แสดงโครงสรางอเลกตรอนแบบจดลวอสดวย

5. พนธะโคเวเลนตมกแบบ อะไรบาง

6. จงเปรยบเทยบ ขนาดของอะตอมของธาตในหม VIIA

7. พนธะทมการใชอเลกตรอนรวมกนและอเลกตรอนนน มาจากอะตอมใด อะตอมหนงเพยง

อะตอมเดยว เปนพนธะชนดใด

คาถามทบทวน 7.2

1. ในการเกดสารประกอบจากปฏกรยาเคมจะเกยวของกบพลงงานพนธะอยางใด

2. จงเปรยบเทยบความยาวพนธะในสารประกอบ Br – Br และ F – F

3. สารประกอบใดมขว CO2 , H2O2 , CH4

คาถามทบทวน 7.3

1. สารประกอบ BCl3 เปนไปตามกฎออกเตตหรอไม อยางไร

2. สารประกอบ SF6 นนอะตอม S มเวเลนซอเลกตรอนเทาใด

3. รปแบบเรโซแนนซของ SO3 เปนอยางไร

4. จงอธบายทฤษฎ VSEPR และการเกดพนธะซกมา

คาถามทบทวน 7.4

1. จงอธบายแบบจาลองทะเลอเลกตรอน

2. การซอนเหลอมกนของออรบทลเชงโมเลกลมกแบบ

คาถามทบทวน 7.5

1. จงอธบายแรงระหวางโมเลกลมขว กบโมเลกลไมมขว

2. แรงกระจายเปนแรงประเภทใด

3. พนธะไฮโดรเจนเกยวของกบสมบตของสารประกอบอยางไร

268

แบบฝกหดหนวยท 7

1. จงเขยนสตรโครงสรางแบบจด หรอโครงสรางลวอสของโมเลกลตอไปน

(1) NH3 (6) H2 O2

(2) OCl2 (7) CS2

(3) CF2 Cl2 (8) Si O4

(4) S O3 (9) Be Cl2 (5) C Cl2 F2 (10) SO Cl22. จงเขยนโครงสรางลวอสของ โมเลกลหรอไอออนตอไปน แลวบอกดวยวาเปนไปตามกฎออกเตต

หรอไม

(1) HCOOH (6) CO32-

(2) PF3 (7) AsF5

(3) H2SO4 (8) SF6

(4) PCl5 (9) H3PO4

(5) XeF4 (10) PO43-

3. จงอธบายความหมายตอไปน

(1) พลงงานพนธะเคม

(2) ไฮบรดออรบทล

(3) พนธะโคเวเลนตมขว

(4) แรงแวนเดอรวาลล

(5) เรโซแนนซ

4. จงเขยนโครงสรางลวอส พรอมทงระบรปทรงเรขาคณตของอเลกตรอนและรปทรงเรขาคณตของ

โมเลกล หรอไอออนตอไปน

(1) SF4 (4) H2S

(2) NH4+ (5) CO2

(3) BeF2

5. จงใชทฤษฎ VSEPR ทานายรปรางของโมเลกลหรอไอออนตอไปน

(1) CS2 (4) SO3

(2) ClO3 (5) H2O

(3) SeCl4

269

6. จงเขยนเรโซแนนซของสารประกอบ

O3 NCO- SO3 NO3

7. จงอธบายไฮบรดออรบทลของอะตอมกลาง และชนดของพนธะในสารประกอบตอไปน

(1) C2F4

(2) CH2O

(3) C2H4

8. จงระบวาอะตอมกลางของโมเลกลตอไปนใชไฮบรไดเซซนแบบใด

(1) NH2-

(2) SF4

9. คอเลกตรอนและไฮบรไดเซซนของอะตอมกลางของสารประกอบตอไปน เปนแบบใด

(1) SF6 (4) PCl5 (2) SO-

3 (5) BF3

(3) CH4

10. จงหาประจฟอรมลของอะตอมในโครงสรางของ NCS- ดงน

- - -

และบอกดวยวาโครงสรางแบบใดดทสด

11. จงอธบายวาเพราะเหตใดโมเลกลของ H F จงมขว แตโมเลกล ของ H2 และ F2 ไมมขว

12. จงบอกชนดของไฮบรดออรบทล ของสารประกอบตอไปน

(1) CO2 มโมเลกลเปนเสนตรง

(2) Hg Cl2 มโมเลกลเปนเสนตรง

13. พนธะโลหะสามารถอธบายสมบตดานการนาไฟฟา การนาความรอน การตแผเปนแผนบางหรอ

การดงเปนเสนลวดของโลหะไดอยางไร

14. จงอธบายความแตกตางของพนธะไอออน พนธะโคเวเลนต และพนธะโคออรดเนต โคเวเลนต

15. จงคานวณพลงงานทจะสลายพนธะใน 1 โมล ของสารประกอบตอไปน

(1) CH3 N H2 (4) NH3

(2) CH3 O H (5) C H2 C F2

(3) N2 H4

:

N – C ≡ S : : : N = C = S : : : : : N ≡ C - S : : :

หนงสออเลกทรอนกส

ฟสกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสกส 1 (ความรอน)

ฟสกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวทยาฟสกส เอกสารคาสอนฟสกส 1ฟสกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสกสดวยภาษา c ฟสกสพศวง สอนฟสกสผานทางอนเตอรเนต

ทดสอบออนไลน วดโอการเรยนการสอน หนาแรกในอดต แผนใสการเรยนการสอน

เอกสารการสอน PDF กจกรรมการทดลองทางวทยาศาสตร

แบบฝกหดออนไลน สดยอดสงประดษฐ

การทดลองเสมอน

บทความพเศษ ตารางธาต)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานกรมฟสกส ลบสมองกบปญหาฟสกส

ธรรมชาตมหศจรรย สตรพนฐานฟสกส

การทดลองมหศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหดกลาง

แบบฝกหดโลหะวทยา แบบทดสอบ

ความรรอบตวทวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐ( คดปรศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คาศพทประจาสปดาห ความรรอบตว

การประดษฐแของโลก ผไดรบโนเบลสาขาฟสกส

นกวทยาศาสตรเทศ นกวทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพศวง การทางานของอปกรณทางฟสกส

การทางานของอปกรณตางๆ

การเรยนการสอนฟสกส 1 ผานทางอนเตอรเนต

1. การวด 2. เวกเตอร3. การเคลอนทแบบหนงมต 4. การเคลอนทบนระนาบ5. กฎการเคลอนทของนวตน 6. การประยกตกฎการเคลอนทของนวตน7. งานและพลงงาน 8. การดลและโมเมนตม9. การหมน 10. สมดลของวตถแขงเกรง11. การเคลอนทแบบคาบ 12. ความยดหยน13. กลศาสตรของไหล 14. ปรมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอทหนงและสองของเทอรโมไดนามก 16. คณสมบตเชงโมเลกลของสสาร

17. คลน 18.การสน และคลนเสยง การเรยนการสอนฟสกส 2 ผานทางอนเตอรเนต

1. ไฟฟาสถต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตวเกบประจและการตอตวตานทาน 5. ศกยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหลก 8.การเหนยวนา9. ไฟฟากระแสสลบ 10. ทรานซสเตอร 11. สนามแมเหลกไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเหน13. ทฤษฎสมพทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นวเคลยร

การเรยนการสอนฟสกสทวไป ผานทางอนเตอรเนต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตม 4. ซมเปลฮารโมนก คลน และเสยง

5. ของไหลกบความรอน 6.ไฟฟาสถตกบกระแสไฟฟา 7. แมเหลกไฟฟา 8. คลนแมเหลกไฟฟากบแสง9. ทฤษฎสมพทธภาพ อะตอม และนวเคลยร

ฟสกสราชมงคล