1

บทท 5พนธะเคม

(Chemical Bonding)

5-1

อะตอมของธาตตาง ๆ จะรวมกนเปนโมเลกลของสารประกอบไดน น จะตองมแรงยดเหนยวระหวางอะตอมใหอยดวยกน แรงยดเหนยวนเรยกวา พนธะเคม

โมเลกลหลาย ๆ โมเลกลมารวมกนเปนกลมกอนไดนน จะตองมแรงยดเหนยวกนระหวางแตละโมเลกล แรงยดเหนยวนเรยกวา แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

5-2

ความหมายของพนธะเคม

พนธะเคม แบงออกเปน1. พนธะไอออนก (ionic bond)2. พนธะโคเวเลนต (covalent bond)3. พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต (coordinate

covalent bond)4. พนธะโลหะ (metallic bond)

5-3

ชนดของพนธะเคม

แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ไดแก1. พนธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)2. แรงแวนเดอรวาลส (Van de Waals forces)3. แรงดงดดระหวางโมเลกล - ไอออน

(molecule - ion attractions)

5-4

แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

กฎออกเตต (Octet Rule)

ในการเกดสารประกอบ สวนใหญอะตอมของธาตตาง ๆ จะรวมกนดวยสดสวนทท าใหอะตอมเหลานนมอเลกตรอนวงนอกสดครบแปด ซงเหมอนกบโครงสรางอะตอมของแกสเฉอย ท าใหมความเสถยรเปนพเศษ

กฎออกเตต เปนกฎทว ๆ ไป สารประกอบบางตวอาจเสถยรโดยไมเปนไปตามกฎน

5-5

เกดจากการทอะตอมหนงใหอเลกตรอนจากระดบพลงงานนอกสดไปกลายเปน ไอออนบวก (cation) อะตอมหนงรบอเลกตรอนมากลายเปนไอออนลบ(anion) ไอออนบวกและไอออนลบจะดงดดกนดวยแรงไฟฟาสถต แรงนเรยกวา พนธะไอออนก

5-6

พนธะไอออนก(Ionic Bond)

7

ไอออนบวก : อะตอมสญเสย e-

1123 Na

-1e-

Na+จ านวน p > e- 1 อนภาค

: การจดเรยง e- : 2 8

Mg(2 8 2) -2e- Mg2+(2 8)

จ านวน p > e-

: การจดเรยง e- : 2 8 1

5-7

8

ไอออนลบ : อะตอมรบ e- เพม

1735Cl ( 2 8 7) +1e- Cl- (2 8 8)จ านวน e- > p 1 อนภาค

816O (2 6)+2e-

O2- (2 8)

จ านวน e- > p

5-8

9

Chlorine Cl2-8-7

Sodium Na2-8-1

17+11+

อธบายการเกดพนธะไอออนก5-9

อะตอมทมอเลกตรอนวงนอกอยนอยมแนวโนมจะใหอเลกตรอนเกดไอออนบวกไดงายไดแก อะตอมโลหะ อะตอมทมอเลกตรอนวงนอกอยมากไดแก อะตอมของอโลหะ มแนวโนมทจะรบอเลกตรอนจากโลหะเกดไอออนลบ

โลหะ: ชอบใหอเลกตรอน ไอออนบวก ยดกนดวยพนธะ

อโลหะ: ชอบรบอเลกตรอน ไอออนลบ ไอออนก

5-10

สารประกอบทประกอบดวยพนธะไอออนก เรยกวา สารประกอบไอออนก (ionic compound)

1. สารประกอบไอออนก : เปนของแขงทเปนผลก2. จดหลอมเหลวสง

CCZr

COMg

CClNa

o44

o22

o

3500 = mp.

2640 = mp.

801 = mp.

ขนกบแรงยดเหนยวระหวางประจและขนาดของไอออนหรอระยะหางระหวางไอออน

มาก

สมบตทวไป

5-11

สารประกอบไอออนก (Ionic compound)

3. โครงผลกเปนกลางทางไฟฟาเพราะ เปนการจดเรยงของไอออนบวกและลบซงลอมรอบซงกนและกนอยางสมมาตรในโครงผลก 3 มต จง เปนพนธะทไมมทศทาง

เรยกโครงสรางแบบ rock salt (NaCl-st)6 : 6

จ านวน Cl- ทลอมรอบ Na+ “ดวยระยะทางทเทากนและใกลทสด”

จ านวน Na+ ทลอมรอบ Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Cl- Na+ Cl- Na+

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+Cl--st.ต.ย.

5-12

Cs+Cl- -st. ลอมรอบซงกนและกน = 8 : 8 เปนตน: สารประกอบไอออนกจะมโครงสรางแบบใดขนกบอตราสวนรศมระหวางไอออนบวกและไอออนลบ

5. ไมน าไฟฟา ยกเวน เมอหลอมเหลว/ ละลายน าเพราะ……….…….....................................................................6. แขงแตเปราะ เพราะ…………............................................……………………………………………………………….

d-

H Hd+

NaCl Na+(aq)+ Cl-(aq)H2O

d+

4. สวนใหญละลายน าได

เมอมแรงมากระทบ ท าใหระนาบใดระนาบหนงของผลกเลอนไป เปนผลท าใหประจชนดเดยวกนอยใกลกน ท าใหเกดแรงผลกระหวางระนาบสง ---> เปราะ

ไอออนบวกและลบในสภาวะของแยง ไมสามารถเคลอนทไดอยางอสระ

5-13

+

++

++

+

++ +

+++

-

-

-

--

-

-

--

--

-

แสดงการจดเรยงตวของไอออนบวกและลบของโครงสรางแบบ NaCl

5-14

: เปนแรงยดเหนยวระหวางอะตอมของอโลหะเปนการใช e- รวมกนระหวางอโลหะ 2 อะตอมเพอใหวงนอกสดครบ 8 (หรอครบ 2 กรณ H)

Cl2 Cl + Cl Cl - ClO2 O + O O = OHCl H + Cl H - ClS + S + S -S-S-S-

long chains

H2 H + H H - H

-dd+

5-15

พนธะโคเวเลนต (Covalent Bond)

: โครงสรางของธาตทอะตอมยดกนดวยพนธะโคเวเลนต จะเปนไปตามกฎ 8-N Rule8-N คอจ านวนอะตอมใกลทสดของแตละอะตอมโดย N = จ านวน e- วงนอกสดธาต N 8-N โครงสรางCl 7 1 โมเลกลอะตอมค, Cl2S,Se,Te 6 2 โซยาว, long chainAs, Sb, Bi 5 3 แผน, sheets of atomsC 4 4 โครงรางตาขาย 3 มต,

net work5-16

ธาตทม N < 4 ไมสามารถเกดพนธะโคเวเลนตได สรป เฉพาะ C เทานน(เพชร, mp = 3500oC) ทใหโครงสราง3 มตโดยทกพนธะเปนโคเวเลนต ซงจดเปน พวกโครงรางตาขาย ดงนนพนธะโคเวนเลนต : เปนพนธะทแขงแรงมาก ถาเกดทกทศทางใน 3 มต

5-17

พนธะโคเวเลนตแบบมขว พนธะทเกดจากอะตอมทมคา electronegativity (EN) ตางกน หมอกอเลกตรอนจะหนาแนนบรเวณใกลอะตอมหนงมากกวาอกอะตอมหนง ท าใหอะตอมหนงมประจคอนขางไปทางลบเลกนอย อกอะตอมหนงมประจคอนขางไปทางบวกเลกนอย พนธะแบบนเรยกวาพนธะโคเวเลนตแบบมขว (polar covalent bond หรอ polar bond) เชน HCl

5-18

พนธะโคเวเลนตแบบมขวและแบบไมมขว

พนธะโคเวเลนตแบบไมมขว (non - polar covalent bond) เกดจากธาตทมคา EN เทากน เชน H2, N2, O2

5-19

พนธะโคเวเลนตแบบมขวและแบบไมมขว

โมเลกลโคเวเลนตทมพนธะโคเวเลนตแบบไมมข ว โมเลกลจะไมมขว โมเลกลโคเวเลนตชนดสองอะตอมทมพนธะโคเวเลนตแบบมขว โมเลกลจะมขวดวย เชน HCl, HF, HBrโมเลกลโคเวเลนตชนดมากกวาสองอะตอมทมพนธะโคเวเลนตแบบมขว โมเลกลอาจจะมขวหรอไมมขวกได แลวแตรปรางของโมเลกล

5-20

สภาพขวของโมเลกลโคเวเลนต

สภาพขวของโมเลกลขนอยกบผลรวมเวกเตอรทางคณตศาสตรของทกพนธะในโมเลกล ถาผลรวมเวกเตอรหกลางกนหมด (ผลรวมเวกเตอรเทากนศนย) แสดงวา เปนโมเลกลไมมขว เชน CO2

ถาผลรวมเวกเตอรหกลางกนไมหมด (ผลรวมเวกเตอรไมเทากบศนย) แสดงวาโมเลกลมขว เชน H2O, NH3

5-21

สภาพขวของโมเลกลโคเวเลนต

พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต(Coordinate Covalent Bond)

พนธะโคออรดเนตโคเวเลนต คอ พนธะโคเวเลนตทอเลกตรอนทใชรวมกนเพอเกดพนธะมาจากอะตอมใดอะตอมหนงเพยงอะตอมเดยวมกใช แทน เชน NH3 + H+ ได NH4

+

5-22

พนธะโลหะ (Metallic Bond)1. free - electron theory (e- sea model)2. ทฤษฎแถบพลงงาน (bond theory): เปนทฤษฏทอธบายพนธะเคมและสมบตตาง ๆ ของโลหะไดด

โลหะ : เปนผลก (Metallic crystal)อนภาคของโลหะจดเรยงตวเปนระเบยบและยดกนดวยพนธะโลหะพนธะโลหะ : เปนแรงดงดดระหวาง ไอออนบวกของโลหะกบทะเล e- ซงมประจลบ e- เหลานถกดง (ionized) ออกมาจากแตละอะตอมของโลหะ

5-23

: เปนแรงยดเหนยวทแขงแรง & ไมมทศทางฉะนนพวกโลหะจงแขง ม mp & bp สง (โดยทวไปสงกวา สารประกอบไอออนก)

: e- เหลานเคลอนทอยางอสระตลอดเวลาเรยกทะเล e-

: พนธะไมไดอยทอะตอมคใดคหนง เปนแรงดงดดทเกดขนทงหมดไปทงโครงผลก ซงตางจากพนธะโคเวเลนต

5-24

+

+ + + + + + ++ + + + + + +

++ + + + +

+ + + + + + +

: แรงนจะมากหรอนอยขนกบปรมาณ e- ในโครงผลกขนาดของประจบวกและขนาดของอะตอม ฉะนน โลหะแทรนซชน เชน Fe จงแขงกวาโลหะหม 1, 2 และโลหะหม 2 (เชน Be, Mg) จะแขงกวาโลหะหม 1 (เชน Na, Li)

5-25

ทฤษฏน สามารถอธบายสมบตตางๆ ของโลหะ ไดดงน

1. น าความรอนไดด เพราะจากการสนอยางตอเนองระหวาง e- ทอยถดกน ท าใหพลงงานความรอน กระจายผานโครงผลกอยางรวดเรว

2. น าไฟฟาไดด เพราะ…….……….......................................ทะเล e- (ซงเปนอนภาคทมประจ) เคลอนทตลอดเวลา

5-26

3. มนวาว (high reflectivity) เพราะ e- ดดกลนพลงงานแสงท าให e- เหลานถกกระตนไปอยระดบพลงงานสงขนซงไมเสถยร จงกลบลงมาทสภาวะเดมพรอมกบคายพลงงานออกมา จงเหนแสงสะทอนจากผวโลหะตลอดเวลา

4. มความแขงแกรง แตไมเปราะและดง ยดเปนแผนบาง ๆ ได เพราะ………………...................................ถงแมระนาบของผลกเลอนไป เนองจากแรงกระทบ

กไมมผลตอแรงยดเหนยวเนองจาก ทะเล e- เคลอนทไปไดทก ๆ ระนาบทเลอนไป

5-27

Na+ Na+ Na+

e- e- e-

Na+ Na+ Na+

e- e- e-

Na+ Na+ Na+

e- e- e-

แมระนาบของอะตอมเลอนไปกไมมผลตอแรงยดเหนยว

5. ระหวางโลหะตางชนดกน เกดโลหะผสม (alloys) ได แตขนาดของโลหะตองไมตางกนมาก เนองจาก e-

เคลอนทเปนอสระไมไดถกยดไวเหมอนพนธะไอออนกหรอโคเวเลนต

5-28

2. ทฤษฎแถบพลงงาน (Band theory) : ทฤษฎนอาศยพนฐานของทฤษฎโมเลกลารออรบทล คอ ถาม 2อะตอมมกออรบทลรวมกนกจะไดสองโมเลกลารออรบทล โดยออรบทลหนงมพลงงานสงเปนแบบตานพนธะ (AMO) อกอนหนงมพลงงานต าเปนแบบมพนธะ (BMO) แตละโมเลกลารออรบทลสามารถบรรจอเลกตรอนไดไมเกน 2 อเลกตรอนโดยมสปนตรงขามกน

5-29

เมอมอะตอมมากขนและจ านวน MO มากขน ระดบพลงงานของ MO จะตางกนนอยลง ระดบพลงงานทใกลชดกนมากนจะดเสมอนเปนแถบตอเนองกน จงเรยกวาแถบพลงงาน (energy band) กรณของ Li แถบพลงงานไดมาจาก 2s orbital จะเรยกวาแถบ 2s

ตวอยาง การบรรจอเลกตรอนของโลหะลเทยม

5-30

31

แถบอนญาต (allowed band) และชองตองหาม (forbidden gap)

5-31

ทฤษฎทใชอธบายพนธะโคเวเลนต

ทฤษฎทอธบายการเกดพนธะโคเวเลนต แบงออกเปนสองทฤษฎ คอ

1. ทฤษฎพนธะเวเลนซ (Valence Bond Theory, VB )2. ทฤษฎโมเลกลารออรบทล (Molecular Orbital

Theory, MO)

5-32

33

ทฤษฎพนธะเวเลนซเปนทฤษฎทใชอธบายการเกดพนธะดวยการซอนเหลอมกนของออรบทลอะตอม โดยทวไปแลวถาอเลกตรอนมสปนเหมอนกนเมอเขาใกลกนจะมการผลกกนเกดขนท าใหพลงงานเพมขน ถาอเลกตรอนมสปนตรงกนขาม เมอเขาใกลกนจะมการดงดดกนเกดขน ท าใหพลงงานลดลง

5-33

ทฤษฎพนธะเวเลนซ (Valence Bond Theory)

ในกรณของอะตอมสองอะตอมทอเลกตรอนมสปนตรงกนขามจะเหนวา อะตอมสามารถซอนเหลอมกนไดในระดบหนงเทานน ถามการซอนเหลอมกนมากกวาน พลงงานของโมเลกลจะเพมขนอยางรวดเรว ท าใหโมเลกลทเกดขนไมเสถยร ro คอ ต าแหนงทอะตอมท งสองเกดการซอนเหลอมกน แลวท าใหโมเลกลทไดมพลงงานต าสด การซอนเหลอมของออรบทลจะสอดคลองกบความแขงแรงของพนธะ คอ ถามอเลกตรอนหนาแนนมากในต าแหนงทซอนเหลอม(ระหวางนวเคลยสของสองอะตอม) พนธะทเกดขนกจะมความแขงแรง

5-34

ขอดของทฤษฎพนธะเวเลนซ คอ ใชอธบายการเกดพนธะเมอทราบรปรางโมเลกล และยงสามารถอธบายไดวาท าไมพนธะเดยวมความยาวพนธะมากกวาพนธะค และพนธะคมความยาวพนธะมากกวาพนธะสาม รวมถงอธบายล าดบความแขงแรงของพนธะไดอกดวย

ล าดบความแขงแรงของพนธะ พนธะสาม > พนธะค > พนธะเดยวความยาวพนธะ พนธะสาม < พนธะค < พนธะเดยว

5-35

พนธะเดยวเกดจากพนธะซกมา 1 พนธะ พนธะคเกดจาก พนธะซกมา 1 พนธะ และพนธะไพ 1 พนธะ พนธะสามเกดจาก พนธะซกมา 1 พนธะ และพนธะไพ 2 พนธะ จะเหนวาพนธะคและพนธะสามมการสรางพนธะท งพนธะซกมาและไพ จงแขงแรงกวาพนธะเดยว อยางไรกตามพนธะสามมการสรางพนธะซกมาเทากบพนธะคแตมพนธะไพมากกวา ดงน นจงแขงแรงกวา

5-36

ในแงของความยาวพนธะ จะเหนวาพนธะคและพนธะสามส นกวาพนธะเดยว เนองจากมการซอนเหลอมตามแนวขาง เพอใหเกดพนธะไพ ดงน นอะตอมจงตองอยชดกนเพอใหสามารถซอนเหลอมกนไดตามแนวขาง ในขณะทพนธะเดยวไมมการซอนเหลอมตามแนวขาง อยางไรกดพนธะสามส นกวาพนธะคเนองจากมการซอนเหลอมตามแนวขางถงสองแกน ในขณะทพนธะคมการซอนเหลอมตามแนวขางเพยงแกนเดยว

5-37

5-38

เชน F2 (1s2 2s2 2p5) แผนผงแสดงอเลกตรอนทเกยวของในการสรางพนธะเปนดงน

รปการซอนเหลอมของ 2pz ออรบทล แสดงไดดงน

ไฮบรไดเซชน (Hybridization)ไฮบรไดเซซน คอ ปรากฎการณทออรบทลในอะตอมเดยวกน ทมระดบพลงงานใกลเคยงกนเกดการรวมกนเกดเปนไฮบรดออรบทล (hybrid orbital) ซงแตละไฮบรด-ออรบทลจะครอบครองพนทเทากน และอยหางกนมากทสดเพอท าใหพลงงานรวมของออรบทลมพลงงานนอยทสด ผลทเกดขนกคอ เกดไฮบรดออรบทลมรปรางตาง ๆกนไป และพลงงานรวมของไฮบรดออรบทลนอยกวาผลรวมพลงงานทงหมดของออรบทลอะตอมกอนการเกดไฮบรไดเซซน

5-39

เชน

C62p

2s

พบวาอะตอมคารบอนม e- เดยวใน 2p ออรบทล 2 ตว ดงนนควรเกดพนธะโคเวเลนตกบอะตอมอนไดเพยง 2 พนธะเทานน แตความจรงแลวคารบอนสามารถเกดได 4 พนธะ โดยพจารณาจากการผสมกนของ s และ p ออรบทลเขาดวยกน เรยก ไฮบรดออรบทล

ไฮบรดออรบทล จะมลกษณะ สมบต และระดบพลงงานเทากนทกประการ

5-40

41

C62p

2ssp3 ไฮบรไดเซชน

ระดบพลงงานของออรบทลในสภาวะพน (s2p2)ระดบพลงงานของ sp3

ไฮบรดออรบทล

คารบอน เกดการรวมกนของ s ออรบทล 1 ออรบทล และ p ออรบทล3 ออรบทล เกดเปน sp3 ไฮบรไดเซชน

5-41

ประเภทของไฮบรดออรบทล1. sp - ไฮบรดออรบทล เกดจากการรวมกนระหวาง s และ pออรบทลอยางละหนงออรบทล ไดไฮบรดออรบทลปนเสนตรงดงรป

5-42

ตวอยางของ sp - ไฮบรดออรบทล เชน BeCl2, C2H2

BeCl2

จากแผนผงจะเหนวา Be ไมมอเลกตรอนเดยวทสามารถน าไปใชในการสรางพนธะรวมกบอะตอมของ Cl ไดเลย ดงนน จงเกดไฮบรไดเซซนเกดเปนไฮบรดออรบทลใหมทมอเลกตรอนเดยวสองตว ดงนนสองอะตอมของ Cl จงสามารถ เขามาสรางพนธะเปนโมเลกล BeCl2 ดงรป 5-43

5-44

BeCl2

C2H2

C2H2 ; จะเหนวาเกดไฮบรไดเซซนระหวาง 2s กบ 2p ออรบทลหนงไดเปน sp - ไฮบรดออรบทลมอเลกตรอนเดยวสองตว ตวหนงเกดพนธะซกมากบ H และอกตวเกดพนธะซกมากบ คารบอนอกตว สวน p - ออรบทลเกดพนธะไพกบคารบอนอะตอมอกตวไดเปนโมเลกลเสนตรงดงรป

5-45

2. sp2-ไฮบรดออรบทล เกดจากการรวมกนระหวาง s 1ออรบทลและ p 2 ออรบทล ไดไฮบรดออรบทลปนสามเหลยมแบนราบดงรป

5-46

ตวอยางของ sp2 - ไฮบรดออรบทล เชน C2H4, BF3

BF3

อะตอมของ B เกดการไฮบรไดเซซนระหวาง s 1ออรบทลและ p 2 ออรบทลได sp2-ไฮบรดออรบทล ทมอเลกตรอนเดยวสามตว ดงนนจงสามารถสรางพนธะกบ F ทงสามอะตอมได ดงรป

5-47

C2H4

C2H4 ; จะเหนวาเกดไฮบรไดเซซนระหวาง 2s กบ p สองออรบทลไดเปน sp2- ไฮบรดออรบทลมอเลกตรอนเดยวสามตว โดยสองตวเกดพนธะซกมากบ H และอกตวเกดพนธะซกมากบคารบอนอกตว สวน p - ออรบทลเกดพนธะไพกบคารบอนอะตอมอกตวไดเปนโมเลกลดงรป

5-48

3. sp3 - ไฮบรดออรบทล เกดจากการรวมกนระหวาง s 1 ออรบทลและ p 3 ออรบทลไดไฮบรดออรบทลปนรปทรงสหนาดงรป

5-49

5-50

ตวอยางของ sp3 -ไฮบรดออรบทล เชน CH4

2s กบ 2p ในอะตอมของ C เกดการไฮบรไดเซชนได sp3 -ไฮบรดออรบทลทมอเลกตรอนสตว ดงนนจงสามารถสรางพนธะกบ H ทงสอะตอมไดเปนโมเลกลดงรป

4. sp3d - ไฮบรดออรบทล เกดจากการรวมกนระหวาง s ออรบทล 1 ออรบทล, d ออรบทล 1 ออรบทลและ p ออรบทล 3 ออรบทลไดไฮบรดออรบทลปนรปคพระมดรวมฐานสามเหลยม (trigonal bipyramid) ดงรป

5-51

5-52

ตวอยางของ sp3d - ไฮบรดออรบทล เชน PCl5

3s, 3p และ 3d ในอะตอมของ P เกดการไฮบรไดเซชนได sp3d - ไฮบรด-ออรบทลมอเลกตรอนเดยวหาตว ดงนนจงสามารถสรางพนธะกบ Cl ทงหาอะตอมไดเปนโมเลกล ดงรป

5. sp3d2 - ไฮบรดออรบทล เกดจากการรวมกนระหวาง s ออรบทล 1 ออรบทล, d ออรบทล 2 ออรบทลและ p ออรบทล 3 ออรบทลไดไฮบรดออรบทลเปนรปทรงแปดหนา (octahedral) ดงรป

5-53

ตวอยางของ sp3d2 - ไฮบรดออรบทล เชน SF6

5-54

3s, 3p และ 3d ในอะตอมของ S เกดการไฮบรไดเซชนได sp3d2 - ไฮบรด-ออรบทล ทมอเลกตรอนเดยวหกตว ดงนนจงสามารถสรางพนธะกบ F ทงหกอะตอมไดเปนโมเลกล ดงรป

ทฤษฏโมเลกลารออรบทล1. อะตอมมกออรบทล

คอบรเวณรอบ ๆ นวเคลยสทมโอกาสพบอเลกตรอนมากทสด ซงอเลกตรอนเหลานนถกแบงโดยระดบชนพลงงานระดบพลงงานหลก, n 1 2 3 4

จ านวน e- สงสด, 2n2 2 8 18 32

ระดบพลงงานยอย 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f

จ านวน e- สงสดตอระดบพลงงานยอย

2 2 6 2 6 10 2 6 10 14

การเตมในออรบทล 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14

ออรบทลตอระดบพลงงานยอย 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7

5-55

56

ตวอยาง รปรางของอะตอมมกออรบทลแบบ s และ แบบ p

s orbital

p orbital

5-56

2. โมเลกลารออรบทลการซอนเหลอมกนของออรบทลอะตอม ท าใหเกดออรบทลโมเลกลซงแบงไดเปน 2 แบบ คอ1. ออรบทลโมเลกลแบบสรางพนธะ (bonding molecular orbital ; BMO) การเกดออรบทลโมเลกลแบบนจะท าใหอเลกตรอนมพลงงานลดลง นนคอมความเสถยรมากขน2. ออรบทลโมเลกลแบบตานพนธะ (anti - bonding molecular orbital ; AMO) การเกดออรบทลโมเลกลแบบนจะท าใหอะตอมทไดมพลงงานเพมขน นนคอมความเสถยรนอยลง

5-57

5-58

อนตรกรยาของออรบทลอะตอมทท าใหเกด BMO และ AMO แสดงไดดงรปออรบทล - s (s - orbital)

ออรบทล - p (p - orbital)

5-59

ก. ซอนเหลอมตามแนวปลาย

ข. ซอนเหลอมตามแนวขาง

จากรปแสดงการเกดออรบทลโมเลกลจากการซอนเหลอมกนของออรบทล - pก.ออรบทล-p ทงสองเกดการซอนเหลอมตามแนวปลายเกดเปนพนธะซกมา

( σ-bond) ข.ออรบทล-p ทงสองเกดการซอนเหลอมตามแนวขางเกดเปนพนธะไพ (p-bond)

จากรปจะเหนวาออรบทลโมเลกลแบบสรางพนธะจะมพลงงานต ากวาแบบตานพนธะเสมอ

(* หมายถงตานพนธะ) BMO และ AMO ทไดจากการรวมกนของออรบทล-s จะแทนดวยสญลกษณ σs และ σ*s ตามล าดบ BMO และ AMO ทไดจากการรวมกนของออรบทล-p จะแทนดวยสญลกษณσz, σ*z, px, p*x , py , p*yเมอ pz เกดการซอนเหลอมตามแนวปลาย px, py เกดการซอนเหลอมตามแนวขาง

5-60

โดยทวไปแลวระดบพลงงานของออรบทลโมเลกลมล าดบดงน

σ1s < σ*1s < σ2s < σ*2s < py, px < σz < p*y , p*x < σ*z

ยกเวน O2 และ F2 ท 2σz < 2pPx < 2pPy ซงสามารถแสดงเปนแผนผงไดดงน

5-61

AO = ออรบทลอะตอมMO = ออรบทลโมเลกลแผนผงดงกลาวใชไดกบกรณของอะตอมคธาตเดยว (homonuclear diatomic molecule) เทานน

5-62

ก. กรณของอะตอมคธาตเดยว (homonuclear diatomic molecule)

ส าหรบโมเลกลทวไป ส าหรบโมเลกลของ O2, F2

การบรรจอเลกตรอนลงในออรบทล1. ใหน าเวเลนซอเลกตรอนของแตละอะตอมมารวมกนโดยไมสนใจวามาจากอะตอมใด2. จากนนใหบรรจเวเลนซอเลกตรอนทงหมดลงในออรบทลโมเลกลโดยใหเรมบรรจในออรบทลมพลงงานต ากอน โดยยดหลกทวา

2.1 หนงออรบทลมอเลกตรอนไดไมเกน 2 ตว2.2 อเลกตรอนสองตวในออรบทลเดยวกนตองมสปนทตรงกนขาม

3. ถามสองออรบทลมพลงงานเทากนเชน px และ py ใหบรรจอเลกตรอนลงในออรบทลใดกอนกได โดยบรรจตามกฏของฮนด จากนน ถามอเลกตรอนเหลอกใหบรรจในออรบทลใดกอนกไดโดยมสปนตรงขามกบอเลกตรอนตวเดม

5-63

H มเวเลนซอเลกตรอน 1 ตว ดงนน 2H จงมอเลกตรอน 2 ตว จากแผนผงจะเหนวา อ เ ลกตรอนท งสอง ถกบรร จลงในออ ร บทลโม เลกล มพลง ง านต า ส ด นนคอ ออรบทลซกมา (เกดพนธะซกมา) หลงจากทอเลกตรอนทงสองมารวมอยในออรบทลโมเลกลเกดเปน H2 จะเหนวามพลงงานต ากวาทเปน H อะตอม

5-64

ตวอยางการบรรจอเลกตรอนในออรบทลโมเลกล

อนดบพนธะอนดบพนธะ หมายถง จ านวนคอเลกตรอนทใชรวมกนระหวางอะตอม ค านวณไดจากอนดบพนธะ = 1/2 (จ านวนอเลกตรอนในออรบทลแบบสรางพนธะ - จ านวนอเลกตรอนในออรบทลแบบตานพนธะ)

อนดบพนธะไมจ าเปนตองเปนเลขจ านวนเตม ยงอนดบพนธะมคามาก โมเลกลนนยงเสถยรแตถาอนดบพนธะมคาเทากบศนย โมเลกลนนไมเสถยรหรอไมสามารถเกดไดจรง เชน

H2 มอนดบพนธะ = 1/2(2-0) = 1

5-65

สมบตทางแมเหลกไฟฟา

พาราแมกเนตก (paramagnetic) มสมบตเบยงเบนในสนามไฟฟา เกดขนไดถาในออรบทลโมเลกลมอเลกตรอนทไมเขาค

ไดอะแมกเนตก (diamagnetic) ไมเบยงเบนในสนามไฟฟาเกดขนในออรบทลโมเลกลมอเลกตรอนเขาคออรบทล

5-66

ส าหรบโมเลกลของอะตอมคธาตเดยวอน ๆ แสดงไดดงตาราง (เพองายตอความเขาใจจงน าเสนอในรปของตาราง)

5-67

5-68

ข. ออรบทลโมเลกลของธาตตางชนดกน (heteronuclear diatomicmolecule)โดยทวไปแลวออรบทลอะตอมของอะตอมทมคาอเลกโทรเนกาตวตต ากวามกจะมคาพลงงานสงกวา ตวอยางออรบทลโมเลกลของธาตตางชนดกน เชน HFHF : H ม 1 เวเลนซอเลกตรอน และ F ม 7 เวเลนซอเลกตรอนจะเหนวาอเลกตรอนทง 8 ตวบรรจอยในออรบทลโมเลกลทงหมด 4ออรบทล โดยออรบทลทมระดบพลงงานสงสดทมอเลกตรอนบรรจอยเปนชนดไพออรบทล ซงอเลกตรอนในไพออรบทลจะไมมสวนเกยวของกบ H อะตอม เรยกออรบทลเหลานวา non - bonding orbital ซงแสดงไดดงรป

5-69

5-70

Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory(VSEPR Theory)

เปนทฤษฎทใชท านายรปทรงเรขาคณตของโมเลกลและของไอออน มใจความวา “รปรางโมเลกลหรอไอออนของสารประกอบโคเวเลนตจะเปนอยางไรนน ขนอยกบแรงผลกระหวางคอเลกตรอนในระดบพลงงานนอกสดของอะตอมทอยกลาง โดยอเลกตรอนคทอยลอมรอบจะจดเรยงตวใหอยหางกนมากทสดเพอใหเกดแรงผลกนอยทสด” ตามทฤษฎน สามารถเขยนเปนสตรทวไปส าหรบโมเลกลได ดงน

5-71

AXmEn

เมอ A = อะตอมกลางX = อะตอมหรอหมอะตอมทยดอยกบ A โดยใชพนธะโคเวเลนตE = สญลกษณแทนคอเลกตรอนทไมใชสรางพนธะm = จ านวนคอเลกตรอนทใชสรางพนธะn = จ านวนคอเลกตรอนทไมใชสรางพนธะ

5-72

เชน จงเขยนสตรโมเลกลแบบ AXmEn ของ SF4 และ ICl4-

SF4 ICl4-จ านวนเวเลนซอเลกตรอนของอะตอมกลาง 6 7จ านวนอเลกตรอนทเขารวมในการสรางพนธะ 4 4จ านวนอเลกตรอนจากประจ - 1รวม 10(5) 12(6)คอเลกตรอนทใชสรางพนธะ 4 4คอเลกตรอนทไมใชสรางพนธะ 1 2สตรโมเลกลแบบ AXmEn AX4E1 AX4E2

FSF4 S..

FFF

ICl4- ICl Cl

ClCl....

5-73

สรปใจความส าคญของทฤษฎ VSEPR1. รปรางของโมเลกลหรอไอออนทยดกนดวยพนธะโคเวเลนตขนกบคา m และ n ทงหมดทมอยในวงเวเลนซ คอเลกตรอนเหลานจะมการจดเรยงตวใหอยหางกนมากทสด เพอใหเกดแรงผลกกนนอยทสด2. การผลกกนของคอเลกตรอนจะลดลงตามล าดบดงนคโดดเดยว-คโดดเดยว > คโดดเดยว-คสรางพนธะ > คสรางพนธะ-คสรางพนธะ3. ส าหรบ multiple bond ใหถอวามอเลกตรอนทรวมสรางพนธะอยเพยงกลมเดยว4. การผลกของอเลกตรอนตาง ๆ ตออเลกตรอนอน ๆ

คโดดเดยว > พหพนธะ >คสรางพนธะ> อเลกตรอนเดยว

5-74

รปรางโมเลกลและไอออนทไมมและมอเลกตรอนคโดดเดยว

1. AX2 (linear) : BeCl2

โมเลกลทอะตอมกลางไมมอเลกตรอนคโดดเดยว

Cl Be Cl

อเลกตรอนครวมพนธะทง 2 คอยทปลายดานตรงขามของแนวเสนตรงเดยวกน เพอจะไดอยหางกนมากทสด

180o

5-75

3. AX4 (tetrahedral) : CH4

มโครงสรางเปนรปทรงเหลยม 4 หนา

C

H

HH

H

109.5o

2. AX3 (triangular planar) : BF3

B

F

FF

120o

มโครงสรางเปนรปสามเหลยมดานเทาแบนราบ อะตอมทงสอยบนระนาบเดยวกน

5-76

5. AX6 (octahedral) : SF6

มมพนธะมคาเทากบ 90o ทกพนธะบนทรงแปดหนาถอวาเหมอนกน เราจงไมสามารถใชค าวา แนวแกน และแนวระนาบส าหรบโครงสรางนได

S

F

F

FF

F

F

4. AX5 (trigonal bipyramidal) : PCl5

อะตอมทอยดานบนดานบนและดานลางระนาบ 3 เหลยม เรยกวา อยในแนวแกน (axial) สวนอก 3 อะตอมทอยในระนาบ 3 เหลยม เรยกวา อยในแนวระนาบ (equatorial)

P

Cl

Cl

ClCl

Cl

90o

120o

5-77

โมเลกลทอะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยว

แรงผลกระหวาง :คโดดเดยว-คโดดเดยว > คโดดเดยว-คสรางพนธะ > คสรางพนธะ-คสรางพนธะ

1. AX2E (V-shaped) : SO2

แรงผลกกนระหวางอเลกตรอนคโดดเดยวกบอเลกตรอนครวมพนธะมมากกวาแรงผลกระหวางอเลกตรอนครวมพนธะดวยกน จากการทดลองพบวามมระหวางพนธะ OSO มคานอยกวา 120o คอ 119.5o

O S O.. ....

.. ..

..

....

....

S

O O

5-78

2. AX3E (trigonal pyramidal) : NH3

อเลกตรอนคโดดเดยวผลกค รวมพนธะไดแรงกวาแรงผลกระหวางอเลกตรอนครวมพนธะดวยกน ท าให N-H ทง 3 ถกดนใหเขาใกลกนมากขน

3. AX2E2 (V-shaped) : H2O

แมวาการจดเรยงอเลกตรอนทง 4 คของน าจะมรปทรง 4 หนาเชนเดยวกบแอมโมเนย แตน ามอเลกตรอนคโดดเดยว 2 คบนอะตอมออกซเจนซงพยายามจดตวใหอยหางกนมากทสดกบอเลกตรอนครวมพนธะ ท าใหพนธะ O-H ถกดนใหเขาหากนมากกวาพนธะ N-H ของแอมโมเนย

N HH

H

..

H O H....

..

O

H H

..

NHH

H..

5-79

4. AX4E (square pyramidal or distorted tetrahedral) : SF4

SF

F

F

F

.. S..

F

FF

F

ทรงเหลยมสหนาเบยว โดยอเลกตรอนคอสระเลอกทจะอยในแนวระนาบ เนองจากมมในแนวระนาบมคา 120o ซงเมอจดเรยงตวแลวเกดแรงผลกกนนอยทสด

5-80

รปรางโมเลกลหรอไอออนทไมม และมอเลกตรอนคอสระ

5-81

หมายเหตสแดง = อะตอมกลางสน าเงน = อะตอมกลางสเขยว = อเลกตรอนคโดดเดยว

โครงสรางของโมเลกลทมอะตอมกลางมากกวาหนงอะตอมโดยทวไปแลวเปนการยากทจะระบโครงสรางทแนนอน

ของโมเลกลทมอะตอมกลางมากกวา 1 อะตอม เรามกจะบอกไดแตเพยงรปรางรอบ ๆ แตละอะตอมกลาง เชน เมทานอล (CH3OH)

CO

H

H

HH

TetrahedralBent

5-82

5-83

สรปรปรางโมเลกลและไอออนทไมม และมอเลกตรอนคโดดเดยวดงตาราง

สรปรปรางโมเลกลและไอออนทไมมอเลกตรอนคโดดเดยว

5-84

สรปรปรางโมเลกลและไอออนทมอเลกตรอนคโดดเดยว

คาตาง ๆ ทเกยวของกบพนธะ และโครงสรางของโมเลกล1. มมพนธะ

ขนอยกบ - จ านวนพนธะโคเวเลนต (จ านวน e- ครวมพนธะ)- จ านวน e- คโดดเดยวรอบอะตอมกลาง

AB B

I

IIIII

ถา A ม EN สงกวา B แรง III > แรง I

ถา A ม EN ต ากวา B แรง III < แรง I

AB Bกวาง

AB Bแคบ 5-85

ธาต F O N Cl Br I S C H P EN 4.0 3.5 3.0 3.2 2.8 2.5 2.5 2.5 2.1 2.1

จากคาตวเลข EN Cl > N แตเมอค านงถงขนาดอะตอม Cl > N ดงนน EN ของ N > Cl

คา EN ของธาตบางตวทควรรจก

จงเรยงมมพนธะของโมเลกลตอไปนจากโมเลกลทมมมพนธะกวางทสดไปยงแคบทสด ?

SbH3 PH3 NH3 AsH3

5-86

2. สภาพขวการบอกสภาพขว - พนธะ (พนธะมขว พนธะไมมขว)

- โมเลกล (โมเลกลมขว โมเลกลไมมขว)

อาศยผลตางของ EN (EN)

H HEN 2.1 2.1

EN = 0

พนธะไมมขว โมเลกลไมมขว

2.1 โมเลกลทประกอบดวยอะตอมของธาตเดยวกน

5-87

2.2 โมเลกลทประกอบดวยอะตอมของธาตตางชนดกน

H ClEN 2.1 3.2

EN = 1.1

พนธะมขว โมเลกลมขว

2.3 โมเลกลทอะตอมกลางมการใชอเลกตรอนวงนอกทงหมดในการสรางพนธะ

C OEN 3.5 2.5 3.5 พนธะมขว แตเปนโมเลกลไมมขว

O2+1- 1-

5-88

CC

H

H

Cl

ClEN 2.1 2.5 3.2

พนธะมขว โมเลกลมขว

2.4 โมเลกลทอะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยวเหลออย

OH H

EN 2.1 3.5 2.1พนธะมขว โมเลกลมขว

5-89

3. ความยาวพนธะ

ระยะทอะตอมอยหางกนนอยทสด (ดงดดกนดทสด) เรยกวา ความยาวพนธะ

ความยาวพนธะของพนธะเดยว พนธะค พนธะสาม ของกลมอะตอมทคลายกนเชน ความยาวพนธะของ C - C แบบตาง ๆ

โมเลกล ชนดของพนธะ ความยาวพนธะ พลงงานพนธะ(pm) (kJ mol-1)

H3C-CH3 C-C 154 348 H2C=CH2 C=C 134 614 HCCH CC 120 839

5-90

แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

พนธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) เปนแรงระหวางโมเลกล เกดจากการดงดดของไฮโดรเจนในโมเลกลหนงกบธาตทมคา EN สงของอกโมเลกลหนง สญลกษณของพนธะไฮโดรเจนคอ ............ตวอยาง เชน

5-91

พนธะไฮโดรเจนในโมเลกลของน า (H2O), HF

H Fd d

H Fd d

HF,

HdHd

HdHdHd

Hd

d

dd

5-92

เปนแรงดงดดแบบออน ๆ ทชวยยดโมเลกลเขาดวยกน จะมอทธพลในโมเลกลไมมขวมากกวาในโมเลกลมขว

แรงแวนเดอรวาลส (Van der Waals forces)

5-93

แรงแวนเดอรวาลส แบงออกเปน 3 ชนด ดงน1. แรงไดโพล - ไดโพล (dipole - dipole interaction)2. แรงเหนยวน า (induced attraction)3. แรงลอนดอนหรอแรงแผกระจาย (London force or

disperse attraction)

ส าหรบโมเลกลทมขว : จะเกด dipole - dipole interaction ระหวางโมเลกลทมขวถาวร

H Cl Cl H Cld d d d d d

......... ......... H

: ขวถาวรเหลานจะยดกนไปเรอย ๆ ระหวางโมเลกลจงเปนแรงทไมมทศทาง

5-94

แรงเหนยวน า (induced attraction)

เปนแรงดงดดระหวางโมเลกลทมขวถาวรกบโมเลกลทไมมขว โมเลกลทมขวจะเหนยวน าใหโมเลกลไมมขวเกดสภาพขวขนโดยทวไปอะตอมหรอโมเลกลขนาดใหญ จะมความสามารถในการเกดขวสงกวาอะตอมหรอโมเลกลขนาดเลก

5-95

แรงลอนดอน (London force)

เปนแรงดงดดระหวางโมเลกลทไมมขวกบโมเลกลไมมขว เกดขนชวขณะเนองจากความหนาแนนของอเลกตรอนไมสม าเสมอ ท าใหเกดสภาพขวขน

5-96

: การกระจายของกลมหมอก e- ในชววนาทหนงรอบ ๆ อะตอมไมสมมาตร (ประจของ e- รอบ ๆ อะตอมไมสมมาตร) ดงนนชวขณะหนง ๆ สนามไฟฟาสถตรอบอะตอมจะเปลยนแปลงตลอดเวลาท าใหเกดขวขนชวขณะและขวมการเปลยนแปลงตลอดเวลา เรยกวา dynamic dipole อะตอมหรอโมเลกลทมขวนนกจะเหนยวน าอะตอมขางเคยงใหเกดขวขน อะตอมทง 2 จงเกดแรงดงดดกน

ส าหรบโมเลกลไมมขว : แรงยดเหนยวระหวาง

โมเลกลทไมมขวนเกดขนไดอยางไร ?

5-97

แตเกดขนชวขณะ และเปลยนแปลงตลอดเวลา จงเปนแรงออน ๆ (weak electrostatic bond) เรยกวา แรงลอนดอน

เชน Cl-Cl, F =

1 26

polarizability ของอะตอมทง 2ระยะหางระหวางอะตอม

polarizability atomic no.

1 & 2 = =

หรอ ขนาดของอะตอม

5-98

polarizability หมายถง ความสามารถของอะตอมทจะถกท าใหเกดขวไดงายโดยอะตอมขนาดใหญ จะเกดขวได งายกวาขนาดเลก ๆ เพราะ………………….....................……………………………………………………………

เทยบ freezing pt. He 1 K Xe 133 KF2 51 KI2 387 K

แรงยดเหนยวเพมตามขนาดทเพม

e- วงนอกอยไกลจากนวเคลยสสามารถถกดงดดไปดานใดดานหนงของอะตอมไดงาย ---> เกดขวชวคราวไดงาย

5-99

แรงดงดดระหวางโมเลกล - ไอออน(Molecule - ion attraction)

ท เ รยกวาแรงดงดดระหวางโมเลกลและไอออนน นเพราะวาโมเลกล เชน น า ดงดดกบไอออนของ Na+ และ Cl- ของเกลอเกลอละลายน าไดอยางไรโมเลกลของน าเขามาแทรกในโมเลกลของผลก โดยทน าบางโมเลกลเขาลอมรอบไอออนบวกโดยหนดานทเปนขวลบเขาหา น าบางโมเลกลเขาลอมรอบไอออนลบโดยหนดานทเปนขวบวกเขาหา

5-100

การทมจ านวนโมเลกลของน ามากมายแทรกระหวางผลก ท าใหไปบดบงแรงดงดดระหวางไอออนบวกและไอออนลบของผลกไอออนก ท าใหแรงดงดดระหวางขวทงสองลดลง จนมคานอยกวาแรงทเกดจากโมเลกลของน าทลอมรอบ ดงน นโมเลกลของน าจงสามารถแยกไอออนลบและไอออนบวกออกจากกนได โดยเรมดงไอออนทอยดานนอกกอน

5-101

5-102

การบาน1. จงอธบายความหมายของค าตอไปน

1.1 พนธะไอออนก (ionic bond)1.2 พนธะโคเวเลนต (covalent bond)1.3 เวเลนซอเลกตรอน1.4 พลงงานพนธะ1.5 ความยาวพนธะ

2. จงเขยนสตรโครงสรางของไอออนและโมเลกลตอไปน พรอมทงบอกจ านวนเวเลนซอเลกตรอนทงหมดดวย

MgCl2 CCl4 H2O2 PCl3 SO32- CaO