พันธะเคมี (chemical bond)...พ นธะโลหะ (metallic bond) * เป...
TRANSCRIPT
พนธะเคม (Chemical bond)
แรงยดเหนยวภายในโมเลกล
พนธะโลหะ
พนธะไอออนก
พนธะโควาเลนต
พนธะโคออรดเนตโควาเลนต
แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล
แรงลอนดอน
เกดในทกโมเลกล
แรงไดโพล ไดโพล
เกดในโมเลกลมขว
พนธะไฮโดรเจน
เกดกบอะตอมทมคา EN สง
พนธะเคม หมายถง แรงยดเหนยวระหวางอะตอม (ภายในโมเลกล)
1
พนธะโลหะ(metallic bond)
* เปนแรงดงดดระหวางไอออนบวกซงเรยงชดกนกบอเลคตรอนทอย
โดยรอบ
* อะตอมของโลหะจะอยในสภาพทเปนบวก
*ใชเวเลนซอเลคตรอนรวมกน เวเลนซอเลคตรอนเคลอนทไปรอบๆ
กอนโลหะเปน กลมหมอกอเลคตรอน (electron cloud)
ทาใหดงดดนวเคลยสของอะตอม
เหลานนไดดวย
* โลหะหม 2 แขงแรงกวาโลหะหม 1
2
3
การทโลหะมพนธะโลหะจงทาใหโลหะมสมบตทวไป ดงน
1. โลหะเปนตวนาไฟฟาทด เพราะอเลกตรอนเคลอนทไดงาย
2. โลหะมจดหลอมเหลวสง เพราะเวเลนซอเลกตรอนของอะตอมทงหมดในกอน
โลหะยดอะตอมไวอยางเหนยวแนน
3. โลหะสามารถตแผเปนแผนบาง ๆได เพราะมกลมเวเลนซอเลกตรอนทาหนาทยด
อนภาคใหเรยงกนไมขาดออกจากกน
4. โลหะมผวเปนมนวาว เพราะกลมอเลกตรอนทเคลอนทโดยอสระมปฏกรยาตอแสง
จงสะทอนแสงทาใหมองเหนเปนมนวาว
5. สถานะปกตเปนของแขง ยกเวน Hg เปนของเหลว
6. โลหะนาความรอนไดด เพราะอเลกตรอนอสระเคลอนทไดทกทศทาง
พนธะไอออนก(Ionic bond)
* เปนพนธะเคมทเกดขนจากแรงยดเหนยวทางไฟฟาของ
ไอออนบวกกบไอออนลบ (electrostatic force)
Electron is given away
Atom with spare electron Need an electron to become stable
* สารประกอบไอออนกไดแก NaCl, MgO, CaCl2 4
5
x
x
xxx
xx
xxxx
x
x
xx
xx
xxxx
+x -
Na+ [2,8]+ Cl- [2,8,8]-
x
x
xxx
xx
xxxx
x
Mg (2,8,2) Cl (2,8,7)
x
x
xx
xx
xxxx2+
x -x -
Cl- [2,8,8]- Mg2+ [2,8]2+ Cl- [2,8,8]-
จะเหนวา ธาตมแนวโนมใหหรอรบ e- เพอใหมโครงสราง e- เหมอนกาซเฉอย
ซงมเสถยรภาพสง ม valence e- ครบ 8 (octet rule)
(ยกเวน He ครบ 2)
6
พลงงานทเปลยนแปลงในการเกดสารประกอบไอออนกของ NaCl(s)
1) Na (s) Na (g) ; ∆Hsub = + 108 kJ/mol (sublimation)
2) ½ Cl2 (g) Cl (g) ; ∆ Hdiss = + 122 kJ/mol (dissociation)
3) Na (g) Na+ (g) + e- ; IE = + 496 kJ/mol (ionization)
4) Cl (g) + e- Cl- (g) ; EA = - 349 kJ/mol (electron affinity)
5) Na+ (g) + Cl- (g) NaCl (s) ; U = - 788 kJ/mol (lattice energy)
Born-Haber cycle
7
ดงนน ปฏกรยารวม
Na (s) + ½ Cl2 (g) NaCl (s) (formation of NaCl)
∆Hof = ∆Hsub + ∆Hdiss + IE + EA + U
= 108 + 122 + 496 + (-349) + (-788)
= - 411 kJ/mol
พลงงานของปฏกรยารวม = ผลรวมของการเปลยนแปลงพลงงานทกขนตอน
U = lattice energy เกดจากแรงดงดดระหวางประจของไอออนบวกและลบใน
ผลกของแขง อธบายไดดวยกฏของคลอมบ
8
lattice energy (U) = k Z1 Z2
d
k = คาคงทของการจดเรยงในผลก
(เปนคาเฉพาะของสารประกอบไอออนกแตละชนด)
Z1, Z2 = คาประจของไอออนชนดท 1 และ 2
d = ระยะระหวางจดศนยกลางของไอออนทงสอง
- lattice energy จะสงมาก ถาประจ Z1 และ Z2 มาก และ ระยะ d นอย
(ไอออนมขนาดเลก อยใกลกน)
- สารประกอบท anion ชนดเดยวกน แต cation ตางกน
U สงขน เมอขนาด cation เลกลง
เชน K+ > Na+ > Li+ lattice energy (U) LiF > NaF > KF
- สารประกอบท cation ชนดเดยวกน แต anion ตางกน กใหผลทานองเดยวกน
- สารประกอบทไอออนมประจสงกวา คา U จะมากกวา
เชน lattice energy (U) AlI3 > MgI2 > NaI
พนธะโควาเลนต (Covalent bond)
* เปนแรงยดเหนยวทเกดจากอะตอมของธาตทใชเวเลนซอเลกตรอนรวมกน
เปนค ๆ เพอใหเปนไปตาม กฎออกเตต (Octet rule)
* ระยะทางระหวางนวเคลยสทงสองทเหมาะสม เรยกวา ความยาวพนธะ (bond
length)
C H
H
H
H
9
11
ความสมพนธระหวางชนดของพนธะกบพลงงานพนธะและความยาว
พนธะ
พลงงานพนธะ กบ ชนดของพนธะ
พลงงานพนธะ = พนธะสาม > พนธะค > พนธะเดยว
ความยาวพนธะ กบ ชนดของพนธะ
ความยาวพนธะ = พนธะเดยว > พนธะค > พนธะสาม
13
ประจฟอรมอล (Formal charge)
เปนประจไฟฟาสมมตทกาหนดขนมกใชกบสารโควาเลนตเพอทานายโครงสราง
โมเลกล
อะตอมแตละตวอาจมประจเปนศนย
บางอะตอมเสมอนวามอเลกตรอนเกนมา กจะมประจเปนลบ
บางอะตอมอาจเสมอนวาเสยอเลกตรอน กจะมประจเปนบวก
ซงเรยกประจเหลานวา ประจฟอรมอล (formal charge)
14
การคานวณประจฟอรมอล
ประจฟอรมอล = V - N - 1/2 B
เมอ V = จานวนเวเลนซอเลกตรอนของอะตอมทสนใจ
N = จานวนเวเลนซอเลกตรอนทไมสรางพนธะ (non-bonding)
B = จานวนอเลกตรอนทสรางพนธะอยรอบอะตอมนน
15
หลกการพจารณาวาโครงสรางแบบใดเปนไปไดมากหรอนอย
1. โครงสรางทเปนไปตามกฎออกเตตมากทสด มความเปนไปไดมากทสด
2. สาหรบโมเลกลทเปนกลางโครงสรางทมประจฟอรมอลรวมตาทสดหรอเปน
ศนย มความเปนไปไดมากทสด
3. อนภาคทมประจไฟฟา โครงสรางทมประจฟอรมอลรวมเทากบประจของ
อนภาค เปนโครงสรางทเปนไปไดมากทสด
4. อะตอมของธาตชนดเดยวกนทอยในโมเลกลเดยวกน มประจฟอรมอลตรง
ขามกน เปนโครงสรางทเปนไปไดนอย
5. อะตอมทมคา EN สงมประจฟอรมอลเปนลบ เปนโครงสรางทเปนไปได
มากกวา
16
ตวอยาง จงหาประจฟอรมอลของ ClO3
ประจฟอรมอลของ Cl = 7 – 2 -½ ( 6 )
= 7 – 2 – 3
= +2
ประจฟอรมอลของ O = 6 – 6 - ½( 2 )
= -1
O ทง 3 อะตอม มประจฟอรมอล = -1 เชนเดยวกน
ดงนน ประจฟอรมอลรวม = +2 -1-1-1 = -1 [ClO3]-
ประจฟอรมอล = V - N - 1/2 B
V = จานวนเวเลนซอเลกตรอนของอะตอมทสนใจ
N = จานวนเวเลนซอเลกตรอนทไมสรางพนธะ (non-bonding)
B = จานวนอเลกตรอนทสรางพนธะอยรอบอะตอมนน
17
N N O≡ • •
• • • •
• •N N O==• •
• • • •
• •N N O≡ • •
• •
• •
• •
-2 +1 +1 -1 +1 0 0 +1 -1
ตวอยาง จงพจารณาวาโครงสรางเรโซแนนซของ N2O แบบใดเปนไปได
มากกวากน
ประจฟอรมอล = V - N - 1/2 B
เนองจาก O มคา EN สง มประจฟอรมอลเปนลบ จงเปนโครงสรางทเปนไปได
มากกวา
โครงสรางทเปนไปไดมากกวา
18
NCO- (cyanate ion)
โครงสรางเรโซแนนซแบบใดเปนไปได
โครงสรางแบบแรกเปนไปไดมากทสด เนองจาก formal charge ของทก
อะตอมมคานอยทสด
ตย. จงคานวณการเปลยนแปลงของพลงงานความรอนของปฏกรยาตอไปนH2 (g) + 1O2 (g) H2O (g)
2กาหนดให พลงงานพนธะ H-H = 431.0 kJ
H-O = 463.0 kJ
O=O = 485.0 kJ
ปฏกรยานเปนแบบดดหรอคายความรอน?วธทา จากสมการ พนธะทถกทาลาย คอ H-H และ O=O
พนธะทเกดขน คอ H-O
พลงงานทตองใชเพอสลายพนธะ = 431 kJ + 1 (485.0 kJ)2
= 673.5 kJ
พลงงานทคายออกมา = 2 (463.0 kJ) H-O 2 พนธะ
= 926.0 kJ
∆H = ∆Hดด - ∆Hคาย = 673.5 – 926.0 = -252.5 kJ
เปน ปฏกรยาคายความรอน 20
พนธะโคออรดเนตโควาเลนต
(coordinate covalent bond)
* เปนแรงยดเหนยวทเกดจากอะตอมหนงตวใหอเลคตรอนหนงคในการ
สรางพนธะกบอะตอมอกหนงตว
* เรยกอกอยางวา dative bond
NH
H
H + H NH
H
H
H
21
ทฤษฎทใชอธบายพนธะเคม
ม 4 ทฤษฎ ดงน
1. ทฤษฎออรบทลเชงโมเลกล (Molecular Orbital Theory)
2. ทฤษฎเวเลนซบอนด (Valence Bond Theory)
3. ไฮบรไดเซชนของอะตอมมกออรบทล (Hybridization of
atomic orbitals)
4. ทฤษฎ Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR)23
1. ทฤษฎออรบทลเชงโมเลกล (Molecular Orbital Theory)
การรวมกนของอะตอมกออรบทลจะได โมเลควลารออรบทล 2 แบบ คอ
Bonding molecular orbitals (BMO)เปนโมเลควลารออรบทลทสรางพนธะ
เกดจากการรวมตวของอะตอมมกออรบทลทเสรมกน ทาใหความหนาแนนของอเลกตรอนระหวาง
นวเคลยสทงสองสงขน
Anti-bonding molecular orbitals (AMO)เปนโมเลควลารออรบทลทตานการสรางพนธะ
เกดจากการรวมตวของอะตอมมกออรบทลทหกลางกน ทาใหความหนาแนนของอเลกตรอนระหวาง
นวเคลยสทงสองลดลง
Bonding molecular orbital จะมระดบพลงงานตากวา Anti-bonding molecular
orbital24
25
อนดบพนธะ = ½(จานวน e- ทสรางพนธะ - จานวน e- ทตานการสรางพนธะ)
= ½(2-0) = 1
แผนภาพแสดงระดบพลงงานโมเลกลารออรบทลของโมเลกล H2
โครงแบบอเลกตรอน (electron configuration) (σ1s)2
26
Molecular Orbital Energy-Level Diagrams for Diatomic Molecules with Only 1s Atomic Orbitals
(a) The H2+ ion, (b) the He2
+ ion, and (c) the He2 molecule are shown here.
อนดบพนธะ = ??
การจดอเลกตรอน??
(electron configuration)
27
แผนภาพแสดงระดบพลงงานโมเลกลารออรบทลของโมเลกล O2
การจดอเลกตรอน(electron configuration)
อนดบพนธะ = ??
28
แผนภาพแสดงระดบพลงงานโมเลกลารออรบทลของโมเลกล F2
การจดอเลกตรอน(electron configuration)
อนดบพนธะ = ??
30
แผนภาพแสดงระดบพลงงานโมเลกลารออรบทลของโมเลกล NO-
การจดอเลกตรอน(electron configuration)
อนดบพนธะ = ??
MO diagram for σ-bonded octahedral metal complex
a1g
a1g
*
t1u*
t1u
eg
*
t2g
eg
4p
4s
3d 6 ligand orbitals (σ)
Metal ion, Mn+ Ligand, L[ML6]n+
∆o
12 electronsdn electrons
Antibonding
Nonbonding
Bonding
Note
t2g = non-bonding
eg =antibonding
12e- from 6 ligands will fill the
lower bonding orbitals.
The electrons from the 4s
and 3d orbitals of the metal
(in the first transition row) will
occupy the middle portion of
the diagram.
33
MO correlation diagram for σ-bondingin the octahedral complex [Ti(H2O)6]3+
Non-bonding
Ti3+ [Ti(H2O)6]3+ 6H2O
Antibonding
39
Valence bond picture in complexes
•In the conventional covalent bond, each atomic orbital brings one electron with it
•In the coordination complex, the ligand provides both, while the metal orbital is empty
46
Geometry and hybridization
•The original atomic orbitals are mixed together and transformed into a new set of hybrid orbitals that match the directional requirements for bonding
Coordination number
Geometry Hybrid orbitals
Example
2 Linear sp [Ag(NH3)2]+
4 Tetrahedral sp3 [CoCl4]2-
4 Square Planar dsp2 [Ni(CN)4]2-
6 Octahedral d2sp3 or sp3d2 [Cr(H2O)6]3+
รปรางของโมเลกล
โมเลกลโควาเลนตมรปรางตางๆกนเนองจากสาเหตดงนคอ
* ค e- ในพนธะจะผลกค e- อนๆใหหางกนมากทสด
* ค e- คโดดเดยว จะมแรงผลก e- คอนๆมากกวา e- ครวมพนธะ
* ทศทางของพนธะโควาเลนต จะมทศทางทแนนอน
Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory
47
สตรทวไป รปรางโมเลกล การจดเรยงตว มมพนธะ
AX2
เสนตรง (linear) 180o
AX3
สามเหลยมแบนราบ
(trigonal planar)
120o
BCl3, BF3, GaI3
AX4
ทรงสหนา
(tetrahedral)
109.5o
CH4, SnCl4, CHCl3
AX5
พรามดครวมฐานสามเหลยม
(trigonal bipyramidal)
120o (equatorial)(90o axial)
AX6
ทรงแปดหนา
(octahedral)
90o
SF6, [AlCl6]3-, [SiF6]
2-
A
รปรางของโมเลกลหรอไอออนทไมมอเลกตรอนคโดดเดยว
48
สตรทวไป รปรางโมเลกล การจดเรยงตว มมพนธะ
AX2E รปตวว
< 120o
SnCl2, SO2, NO2-
AX3E พรามดฐานสามเหลยม
107o
NH3, H3O+, PCl3
AX4E
คลายไมกระดานหก(seesaw) หรอทรงสหนาทบดเบยว
186o และ 116o
SF4, TeCl4
AX5E พรามดฐานสเหลยมจตรส
ประมาณ90o
BrF5, IF5
Lonepair
รปรางของโมเลกลหรอไอออนทมอเลกตรอนคโดดเดยว 1 ค
49
สตรทวไป รปรางโมเลกล การจดเรยงตว มมพนธะ
AX3E
2
รปตวท T
(T-shaped)
90o
BrF3, ClF3
AX4E
2ระนาบจตรส
90o
XeF4, ICl4-
AX2E
3เสนตรง Linear
180o
I3-, ICl2
-, XeF2
รปรางของโมเลกลหรอไอออนทมอเลกตรอนคโดดเดยว 2 และ 3 ค
50
ความมขวกบรปรางโมเลกล
อาจบอกไดจากรปรางโมเลกล ดงน
1. โมเลกลหลายอะตอมทเปนเสนตรง ไดโพลจะหกลางกนหมด กลายเปน
โมเลกลไมมขว
2. โมเลกลทมรปรางเปนสามเหลยมแบนราบ (AX3) จะเปนโมเลกลไมมขว
เชน BCl3 แตถาเปน AX2Y จะเปนโมเลกลมขว
3. โมเลกลทมรปรางเปนทรงสหนา ซงมสตรทวไปเปน AX4 จะเปนโมเลกล
ไมมขวเชน CH4 ,CF4 แตถาเปน AX3Y หรอ AX2Y2 จะเปนโมเลกลมขว
4. โมเลกลทมรปรางแบบคพระมดรวมฐานสามเหลยม ซงมสตรทวไป AX5
หรอแบบทรงแปดหนา ซงมสตรทวไป AX6 จะเปนโมเลกลไมมขว
5. โมเลกลทมอเลกตรอนคโดดเดยวทอะตอมกลาง มกเปนโมเลกลมขว เชน
SO2 , H2O 51
แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล
1. แรงแวนเดอรวาลส
เปนแรงดงดดอยางออนระหวางโมเลกล ม 2 ชนดทสาคญ คอ
1.1 แรงลอนดอน(London force) หรอแรงกระจายลอนดอน (London
dispersion force) ซงเปนแรงดงดดระหวางโมเลกลทไมมขว
1.2 แรงไดโพล-ไดโพล ซงเปนแรงดงดดระหวางโมเลกลทมขวดวยกน
เปนแรงยดเหนยวทมความแขงแรงนอยยงเมอเปรยบเทยบกบ
พนธะไอออนก และพนธะโคเวเลนต
52