chemistry เคมี

บทที่ 3 พันธะเคมี

บทที่ 3

ชนิดของพันธะเคมี

 

พันธะภายในโมเลกุล (intramolecular bond)	พันธะระหว่างโมเลกุล (intermolecular bond)
พันธะโคเวเลนต์ (covalent bonds)	พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bonds)
พันธะไอออนิก (ionic bonds)	แรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces)
พันธะโลหะ ( metallic bonds)	แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล - ไอออน (molecule-ion attractions)

พันธะไอออนิก

พันธะไอออนิก ( Ionic bond ) หมายถึงแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดในสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่าง 2 อะตอมอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีต่างกันมาก อะตอมที่มีค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีน้อยจะให้อิเลคตรอนแก่อะตอมที่มีค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีมาก และทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ อะตอมครบ 8 (octat rule ) กลายเป็นไอออนบวก และไอออนลบตามลำดับ เกิดแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างไอออนบวกและไอออนลบ และเกิดเป็นโมเลกุลขึ้น เช่น การเกิดสารประกอบ NaCl ดังภาพ

จากตัวอย่าง Na ซึ่งมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 ได้ให้อิเล็กตรอนแก่ Cl ที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 จึงทำให้ Na และ Cl มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เกิดเป็นสารประกอบไอออนิก

สมบัติของสารประกอบไอออนิก

1. มีขั้ว เพราะสารประกอบไอออนิกไม่ได้เกิดขึ้นเป็นโมเลกุลเดี่ยว แต่จะเป็นของแข็งซึ่งประกอบด้วยไอออนจำนวนมาก ซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้า
2. ไม่นำไฟฟ้าเมื่ออยู่ในสภาพของแข็ง แต่จะนำไฟฟ้าได้เมื่อใส่สารประกอบไอออนิกลงในน้ำ ไอออนจะแยกออกจากกัน ทำให้สารละลายนำไฟฟ้าในทำนองเดียวกันสารประกอบที่หลอมเหลวจะนำไฟฟ้าได้ด้วยเนื่องจากเมื่อหลอมเหลวไอออนจะเป็นอิสระจากกัน เกิดการไหลเวียนอิเลคตรอนทำให้อิเลคตรอนเคลื่อนที่จึงเกิดการนำไฟฟ้า
3 . มีจุหลอมเหลวและจุดเดือดสูง      ความร้อนในการทำลายแรงดึงดูดระหว่างไอออนให้กลายเป็นของเหลวต้องใช้พลังงานสูง
4 . สารประกอบไอออนิกทำให้เกิดปฏิกิริยาไอออนิก คือ ปฏิกิริยาระหว่างไอออนกับไอออน ทั้งนี้เพราะสารไอออนิกจะเป็นไอออนอิสระในสารละลาย ปฏิกิริยาจึงเกิดทันที
5 . สมบัติไม่แสดงทิศทางของพันธะไอออนิก สารประกอบไอออนิกเกิดจากไอออนที่มีประจุตรงกันข้ามรอบ ๆ ไอออนแต่ละไอออนจะมีสนามไฟฟ้าซึ่งไม่มีทิศทาง จึงทำให้เกิดสมบัติไม่แสดงทิศทางของพันธะไอออนิก
6. เป็นผลึกแข็ง แต่เปราะและแตกง่าย

การอ่านชื่อสารประกอบไออนิก

·                     กรณีเป็นสารประกอบธาตุคู่ ให้อ่านชื่อธาตุที่เป็นประจุบวก แล้วตามด้วยธาตุประจุลบ โดยลงท้ายเสียงพยางค์ท้ายเป็น “ ไอด์” (ide) เช่น

·                     กรณีเป็นสารประกอบธาตุมากกว่าสองชนิด ให้อ่านชื่อธาตุที่เป็นประจุบวก แล้วตามด้วยกลุ่มธาตุที่เป็นประจุลบได้เลย เช่น

  

·                     กรณีเป็นสารประกอบธาตุโลหะทรานซิชัน ให้อ่านชื่อธาตุที่เป็นประจุบวกและจำนวนเลขออกซิเดชันหรือค่าประจุของธาตุเสียก่อน โดยวงเล็บเป็นเลขโรมัน แล้วจึงตามด้วยธาตุประจุลบ เช่น

  

พันธะโควาเลนต์

พันธะโควาเลนต์ (Covalent bond) หมายถึง พันธะในสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอม 2 อะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีใกล้เคียงกันหรือเท่ากัน แต่ละอะตอมต่างมีความสามารถที่จะดึงอิเล็กตรอนไว้กับตัว อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจึงไม่ได้อยู่ ณ อะตอมใดอะตอมหนึ่งแล้วเกิดเป็นประจุเหมือนพันธะไอออนิก หากแต่เหมือนการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างอะตอมคู่ร่วมพันธะนั้นๆและมีจำนวนอิเล็กตรอนอยู่รอบๆ แต่ละอะตอมเป็นไปตามกฎออกเตต ดังภาพ

เป็นพันธะที่เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนข้างนอกร่วมกันระหว่างอะตอมของธาตุหนึ่งกับอีกธาตุหนึ่งแบ่งเป็น 3 ชนิดด้วยกัน

1. พันธะเดี่ยว (Single covalent bond )เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 อิเล็กตรอน เช่น F2 Cl2 CH4 เป็นต้น

2. พันธะคู่ ( Doublecovalent bond ) เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันของธาตุทั้งสองเป็นคู่ หรือ 2 อิเล็กตรอน เช่น O2 CO2 C2H4 เป็นต้น

3. พันธะสาม ( Triple covalent bond ) เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 อิเล็กตรอน ของธาตุทั้งสอง เช่น N2 C2H2 เป็นต้น

การอ่านชื่อสารประกอบโควาเลนซ์

์

·                     สารประกอบของธาตุคู่ ให้อ่านชื่อธาตุที่อยู่ข้างหน้าก่อน แล้วตามด้วยชื่อธาตุที่อยู่หลัง โดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ท้ายเป็น “ ไอด์” (ide)

·                     ให้ระบุจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุด้วยเลขจำนวนในภาษากรีก ดังตาราง

·                     ถ้าสารประกอบนั้นอะตอมของธาตุแรกมีเพียงอะตอมเดียว ไม่ต้องระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้น แต่ถ้าเป็นอะตอมของธาตุหลังให้อ่าน “ มอนอ” เสมอ

  

  

การพิจารณารูปร่างโมเลกุลโควาเลนต์  
โมเลกุลโควาเลนต์ในสามมิตินั้น สามารถพิจารณาได้จากการผลักกันของอิเล็กตรอนที่มีอยู่รอบๆ อะตอมกลางเป็นสำคัญ โดยอาศัยหลักการที่ว่า อิเล็กตรอนเป็นประจุลบเหมือนๆ กัน ย่อมพยายามที่แยกตัวออกจากกนให้มากที่สุดเท่าที่จะกระทำได้ ดังนั้นการพิจารณาหาจำนวนกลุ่มของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ นิวเคลียสและอะตอมกลาง จะสามารถบ่งบอกถึงโครงสร้างของโมเลกุลนั้น ๆ ได้ โดยที่กลุ่มต่างๆ มีดังนี้

- อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
- อิเล็กตรอนคู่รวมพันธะได้แก่ พันธะเดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสาม

ทั้งนี้โดยเรียงตามลำดับความสารารถในการผลักอิเลคตรอนกลุ่มอื่นเนื่องจากอิเลคตรอนโดดเดี่ยวและอิเลคตรอนที่สร้างพันธะนั้นต่างกันตรงที่อิเล็กตรอนโดยเดี่ยวนั้นถูกยึดด้วยอะตอมเพียงตัวเดียว ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ใช้สร้างพันธะถูกยึดด้วยอะตอม 2 ตัวจึงเป็นผลให้อิเลคตรอนโดดเดี่ยวมีอิสระมากกว่าสามารถครองพื้นที่ในสามมิตได้มากกว่า ส่วนอิเล็กตรอนเดี่ยวและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว รวมไปถึงอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะแบบต่าง ๆ นั้นมีจำนวนอิเลคตรอนไม่เท่ากันจึงส่งผลในการผลักอิเลคตรอนกลุ่มอื่นๆ ได้มีเท่ากัน โครงสร้างที่เกิดจกการผลักกันของอิเล็กตรอนนั้น สามารถจัดเป็นกลุ่มได้ตามจำนวนของอิเล็กรอนที่มีอยู่ได้ตั้งแต่ 1 กลุ่ม 2 กลุ่ม 3 กลุ่ม ไปเรื่อยๆ เรียกวิธีการจัดตัวแบบนี้ว่า ทฤษฎีการผลักกันของคู่อิเล็กตรอนวงนอก (Valence Shell Electron Pair Repulsion : VSEPR) ดังภาพ

ภาพแสดงรูปร่างโครงสร้างโมเลกุลโควาเลนต์แบบต่างๆ ตามทฤษฎี VSEPR

หมายเหตุ A คือ จำนวนอะตอมกลาง (สีแดง)
X คือ จำนวน อิเล็กตรอนคู่รวมพันธะ (สีน้ำเงิน)
E คือ จำนวนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (สีเขียว)

แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ( Van de waals interaction)

เนื่องจากโมเลกุลโควาเลนต์ปกติจะไม่ต่อเชื่อมกันแบบเป็นร่างแหอย่างพันธะโลหะหรือไอออนิก แต่จะมีขอบเขตที่แน่นอนจึงต้องพิจารณาแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลด้วย ซึ่งจะเป็นส่วนที่ใช้อธิบายสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลโควาเลนต์ อันได้แก่ ความหนาแน่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว หรือความดันไอได้ โดยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลนั้นเกิดจากแรงดึงดูดเนื่องจากความแตกต่างของประจุเป็นสำคัญ ได้แก่
1. แรงลอนดอน ( London Force) เป็นแรงที่เกิดจากการดึงดูดทางไฟฟ้าของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วซึ่งแรงดึงดูดทางไฟฟ้านั้นเกิดได้จากการเลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างเสียสมดุลทำให้เกิดขั้วเล็กน้อย และขั้วไฟฟ้าเกิดขึ้นชั่วคราวนี้เอง จะเหนี่ยวนำกับโมเลกุลข้างเคียงให้มีแรงยึดเหนี่ยวเกิดขึ้น ดังภาพ

อิเล็กตรอนสม่ำเสมอ........................อิเล็กตรอนมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา

ดังนั้นยิ่งโมเลกุลมีขนาดใหญ่ก็จุยิ่งมีโอกาสที่อิเลคตรอนเคลื่อนที่ได้เสียสมดุลมากจึงอาจกล่าวได้ว่าแรงลอนดอนแปรผันตรงกับขนาดของโมเลกุล เช่น F2 Cl2 Br2 I2 และ CO2 เป็นต้น
2. แรงดึงดูดระหว่างขั้ว (Dipole-Dipole interaction)เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดระหว่างโมเลกุลที่มีขั้วสองโมเลกุลขึ้นไปเป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าที่แข็งแรงกว่าแรงลอนดอน เพราะเป็นขั้นไฟฟ้าที่เกิดขึ้นอย่างถาวร โมเลกุลจะเอาด้านที่มีประจุตรงข้ามกันหันเข้าหากัน ตามแรงดึงดูดทางประจุ เช่น H2O HCl H2S และ CO เป็นต้น ดังภาพ
3. พันธะไฮโดรเจน ( hydrogen bond ) เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่มีค่าสูงมาก โดยเกิดระหว่างไฮโดรเจนกับธาตุที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลือ เกิดขึ้นได้ต้องมีปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ไฮโดรเจนที่ขาดอิเล็กตรอนอันเนื่องจากถูกส่วนที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงในโมเลกุลดึงไป จนกระทั้งไฮโดรเจนมีสภาพเป็นบวกสูงและจะต้องมีธาตุที่มีอิเลคตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลือและมีความหนาแน่นอิเลคตรอนสูงพอให้ไฮโดรเจนที่ขาดอิเลคตรอนนั้น เข้ามาสร้างแรงยึดเหนี่ยวด้วยได้เช่น H2O HF NH3 เป็นต้น ดังภาพ

สภาพขั้วของโมเลกุลน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

การเกิดพันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลน้ำ

พันธะโลหะ

พันธะโลหะ (Metallic Bond ) คือ แรงดึงดูดระหว่างไออนบวกซึ่งเรียงชิดกันกับอิเล็กตรอนที่อยู่โดยรอบหรือเป็นแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดจากอะตอมในก้อนโลหะใช้เวเลนส์อิเล็กตรอนทั้งหมดร่วมกัน อิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นได้ เพราะโลหะมีวาเลนส์อิเล็กตรอนน้อยและมีพลังงานไอออไนเซชันต่ำ จึงทำให้เกิดกลุ่มของอิเล็กตรอนและไอออนบวกได้ง่าย
พลังงานไอออไนเซชันของโลหะมีค่าน้อยมาก   แสดงว่าอิเล็กตรอนในระดับนอกสุดของโลหะถูกยึดเหนี่ยวไว้ไม่แน่นหนา   อะตอมเหล่านี้จึงเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวกได้ง่าย   เมื่ออะตอมของโลหะมารวมกันเป็นกลุ่ม  ทุกอะตอมจะนำเวเลนซ์อิเล็กตรอนมาใช้ร่วมกัน   โดยอะตอมของโลหะจะอยู่ในสภาพของไอออนบวก   ส่วนเวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมดจะอยู่เป็นอิสระ   ไม่ได้เป็นของอะตอมใดอะตอมหนึ่งโดยเฉพาะ   แต่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ทั่วทั้งก้อนโลหะ   และเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วมาก   จึงมีสภาพคล้ายกับมีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนปกคลุมก้อนโลหะนี้นอยู่   เรียกว่า ทะเลอิเล็กตรอน โดยมีไอออนบวกฝังอยู่ในกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนซึ่งเป็นลบ   จึงเกิดแรงดึงดูดที่แน่นหนาทั่วไปทุกตำแหน่งภายในก้อนโลหะนั้น ดังภาพ

สมบัติของโลหะ

·                     เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ดี เพราะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปได้ง่ายทั่วทั้งก้อนของโลหะ   แต่โลหะนำไฟฟ้าได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น   เนื่องจากไอออนบวกมีการสั่นสะเทือนด้วยความถี่และช่วงกว้างที่สูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่สะดวก

·                     โลหะนำความร้อนได้ดี  เพราะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้   โดยอิเล็กตรอนซึ่งอยู่ตรงตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูง  จะมีพลังงานจลน์สูง และอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์สูงจะเคลื่อนที่ไปยังส่วนอื่นของโลหะจึงสามารถถ่ายเทความร้อนให้แก่ส่วนอื่น ๆ ของแท่งโลหะที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้ 

·                     โลหะตีแผ่เป็นแผ่นหรือดึงออกเป็นเส้นได้   เพราะไอออนบวกแต่ละไอออนอยู่ในสภาพเหมือนกันๆ กัน   และได้รับแรงดึงดูดจากประจุลบเท่ากันทั้งแท่งโลหะ ไอออนบวกจึงเลื่อนไถลผ่านกันได้โดยไม่หลุดจากกัน   เพราะมีกลุ่มของอิเล็กตรอนทำหน้าที่คอยยึดไอออนบวกเหล่านี้ไว้

·                     โลหะมีผิวเป็นมันวาว   เพราะกลุ่มของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้โดยอิสระจะรับและกระจายแสงออกมา   จึงทำให้โลหะสามารถสะท้อนแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

·                     โลหะมีจุดหลอมเหลวสูง  เพราะพันธะในโลหะ   เป็นพันธะที่เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างวาเลนซ์อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดในด้อนโลหะกับไอออนบวกจึงเป็นพันธะที่แข็งแรงมาก