Chemical Bonds (Thai)

ใชชสสสหรรบกสรศศกษสสสวนบบคคล

ตสมท

ททผชผเขทยนเปปน

ผชผเผยแพ

รสเทสสนรนน

6-1 บทท 6: พนธะเคม และรปรางของโมเลกล

บทท 6: พนธะเคม และรปรางของโมเลกลจากบททแลว เราไดเรยนรพนฐานเกยวกบพนธะเคมมามาก แตเรากยงคงอยแตเพยงบนแผน

กระดาษ เรายงไมไดศกษาเลยวารปรางทแทจรงของโมเลกลเปนอยางไรและเกดขนไดอยางไร รวมไปถงผลของรปรางเหลานทมตอสมบตของโมเลกล ในบทน เราจะมาศกษาเรองเหลานกน

6.1: รปรางของโมเลกล

รปรางของโมเลกลเปนเครองกำาหนดสมบตหลายๆ ประการ เราสามารถทำานายรปรางของโมเลกลไดโดยอาศยหลกการวา คอเลกตรอนในชนนอกสด (valence shell) จะมแรงผลกกน และพยายามอยใหหางกนทสดเพอใหแรงผลกทไดรบนอยทสด เทคนคนใชสรางแบบจำาลองของโมเลกลซงเรยกวา แบบจำาลองแบบ VSEPR (valence-shell electron-pair repulsion: การผลกกนของคอเลกตรอนในชนนอกสด)

ในเบองตน เราจะศกษาแบบจำาลองในแบบทงายทสด แลวเราจะคอยๆ เพมปจจยตางๆ เขามาทละปจจย

6.1.1: โมเลกลทอะตอมกลางไมมอเลกตรอนคโดดเดยว

โมเลกลทไมมอเลกตรอนคโดดเดยวทอะตอมกลางเปนกรณงายทสดทเราจะศกษากน เพราะรปรางของโมเลกลเหลาน ไมไดรบผลจากอเลกตรอนคโดดเดยว นอกจากน ตวอยางทเราจะยกขนมาศกษาในหวขอน ยงเปนโมเลกลทเรยบงาย คออะตอมปลายทกอะตอมเปนธาตเดยวกน

ผลของอเลกตรอนคโดดเดยวและธาตตางชนดนน เราจะยกไปศกษาในหวขอตอๆ ไป

รปทวไป ตวอยาง โครงสราง ชอเรยก

AB2BeCl2

HgCl2linear (เสนตรง)

AB3 BF3

trigonal planar (สามเหลยมแบนราบ)

ภาพจำาลองโมเลกลในเอกสารนสรางขนโดยอาศยชดซอฟตแวร Marvin 5.5.0

และ JChem 5.5.0 พฒนาโดย Chemaxon (http://www.chemaxon.com) ป 2011


ตสมท




6.1: รปรางของโมเลกล 6-2

รปทวไป ตวอยาง โครงสราง ชอเรยก

AB4CH4

NH4 tetrahedral (ทรงสหนา)

AB5 PCl5

trigonal bipyramidal (พระมดฐานสามเหลยมค)

AB6 SF6 octahedral (ทรงแปดหนา)

6.1.2: โมเลกลทอะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยว

โครงสรางโมเลกลทมอเลกตรอนคโดดเดยวอยทอะตอมกลางกจะมโครงสรางทแตกตางออกไป จากสวนทแลวเลกนอย

วธการทำานายรปรางโมเลกลแบบนอยางงายทสด คอ มองอเลกตรอนคโดดเดยวแตละคเหมอนพนธะพนธะหนง

แตเนองจากอเลกตรอนคโดดเดยวกยงไมใชพนธะ ดงนนเราจะพบวาแรงทอเลกตรอนคโดดเดยวผลกอเลกตรอนอนๆ มากกวาอเลกตรอนคสรางพนธะผลกกนเอง ดงน

อเลกตรอนคโดดเดยว2คผลกกน

อเลกตรอนคโดดเดยว

ผลกอเลกตรอนคสรางพนธะ

อเลกตรอนคสรางพนธะ2คผลกกน




ตสมท




6-3 6.1: รปรางของโมเลกล

ในโมเลกลทมอเลกตรอนคโดดเดยวอยกบอะตอมกลาง เราจะเขยนรปทวไปโดยมตว E แทนอเลกตรอนคโดดเดยวนน เชนนำา (H2O) จดอยในกลม AB2E2

กลม AB2E2 สามารถอางองกบกลม AB4 ได เรารวามมระหวางพนธะในสารประกอบ AB4

มคาเปน 109.5° มม HOH ของนำากจะมคาใกลเคยงกน แตเนองจากมแรงจากอเลกตรอนคโดดเดยวมคามาก ดงนนมมนกจะเลกกวา 109.5° เลกนอย (จากการวเคราะหพบวามมมเปน 104.5°)

จากการพจารณาดงกลาว เราจะไดความสมพนธออกมาดงน

รปทวไป ตวอยาง อางองกบ โครงสราง ชอเรยก

AB2E SO2 AB3 bent (มมงอ)

AB3E NH3 AB4

trigonal pyramidal (พระมด

ฐานสามเหลยม)

AB2E2 H2O AB4 bent (มมงอ)

AB4E SF4 AB5

seesaw / distorted tetrahedral (ทรงส

หนาบดเบยว)




ตสมท





รปทวไป ตวอยาง อางองกบ โครงสราง ชอเรยก

AB3E2 ClF3 AB5 T-shaped (ตวท)

AB2E3 I3− AB5 linear (เสนตรง)

AB5E BrF5 AB6

square pyramidal (พระมดฐาน

สเหลยม)

AB4E2 XeF4 AB6

square planar (สเหลยมแบนราบ)

ชวนใหคด:

1. NH3 และ H2O ซงตางกอางองกบโครงสรางแบบ tetrahedral เหมอนกน ทำาการวเคราะหแลวไดคามมดงตอไปน ลองพจารณาวาความตางนเกดขนจากอะไร?

• มม HNH ใน NH3 มคา 107.3°

• มม HOH ใน H2O มคา 104.5°




ตสมท




6-5 6.1: รปรางของโมเลกล

2. ทำาไมโครงสรางในของสารประกอบในกลม AB4E เชน SF4 จงมโครงสรางแบบ seesaw (ซาย)

แตไมใชแบบขวา

แบบฝกหด:

ใชแบบจำาลอง VSEPR ทำานายรปราง และมมระหวางพนธะของโมเลกลตอไปน

1. AsH3

2. OF2

3. ICl 4−

4. SO3

5. CCl4

6. C2H4

7. CH3Cl

8. N2O

9. CH3OH




ตสมท





10. C2H2

6.2: ไดโพลโมเมนต

เราไดเรยนรเรองขวของพนธะ ในบทน เราจะใชขวของพนธะมาพจารณาขวของโมเลกลกน เราจะกลบไปดพนธะ H–F ใน HF กนอกครงกอน

เรารแลววา อเลกตรอนในพนธะอยคอนไปทาง F เพราะ F ม EN สงกวา ในการเขยน เราจะเขยนสญลกษณ ดงน

ลกษณะเชนนทำาใหดาน F มประจลบยอย (partial negative charge) และท H มประจบวกยอย (partial positive charge) เขยนแทนไดดงน

สำาหรบโมเลกล HF มพนธะเดยว เมอพนธะนมขว ทงโมเลกลจงมขวดวย เราจงกลาววา HF เปนโมเลกลมขว (polar molecule)

ปรมาณของขวในโมเลกลสามารถวดเปนปรมาณทเรยกวา ไดโพลโมเมนต (dipole

moment) ใชสญลกษณเปน μ หาไดโดยμ = Q × r

โดย: μ คอ ไดโพลโมเมนตQ คอ ประจยอยทปรากฏขนr คอ ระยะระหวางประจยอย

ในวชาเคม เรามกระบคาไดโพลโมเมนตในหนวยดไบ (debye: D)

1 D = 3.336×10–30 C·m

เราจะเหนวาจะโมเลกลมพนธะเดยว เราสามารถใชความมขวของพนธะนนตดสนความมขวของโมเลกลไดเลย แตถาโมเลกลนนมหลายพนธะ เรากตองพจารณาทกๆ พนธะไปพรอมๆ กน เชน CO2

เราพบวาพนธะทงสองใน CO2 มขวจรง แตผลจากขวในพนธะทงสองหกลางกนเอง ทำาใหโมเลกลไมมไดโพลโมเมนต




ตสมท




6-7 6.2: ไดโพลโมเมนต

แตในขณะเดยวกน เราสงเกตโมเลกล NH3 และ NF3

เราพบวาผลจากขวของพนธะทงสามหกลางกนจนเหลอเพยงแนว เพยงแนวเดยว สวน↑ใน NF3 ผลจากขวของพนธะทงสามกจะเหลอเพยงแนว แนวเดยวเชนกน↓

ไดโพลโมเมนตของโมเลกลทเปนไอโซเมอรกนอาจไมเหมอนกได เพราะการเรยงตวของอะตอมนนตางกน เชน โมเลกลทมสตรเคมเปน CH2Cl2 ไดแก

• cis-dichloroethane (ซาย)

• trans-dichloroethane (ขวา)


1. ทำานายไดโพลโมเมนตของโมเลกลตอไปน

• BrCl




ตสมท




6.2: ไดโพลโมเมนต 6-8

• BF3

• CH2Cl2

• OCS

• CS2

2. เรยงลำาดบโมเลกลตอไปนจากโมเลกลทมไดโพลโมเมนตมากไปนอย

6.3: ทฤษฎพนธะเวเลนซ

การอธบายเรองพนธะในเบองลกสามารถทำาไดโดย 2 ทฤษฎทเราจะไดเรยนตอไปน ทฤษฎแรก เราจะเรยนกนในสวนน คอทฤษฎพนธะเวเลนซ (valence bond theory: VB) สวนทฤษฎออรบทลโมเลกล (molecular orbital: MO) เราจะเรยนกนในสวนถดไป

ทฤษฎพนธะเวเลนซมองการเกดพนธะเปนการซอนทบกนของออรบทล ตอไปน เราจะมาศกษาการเกดพนธะ H–H ในโมเลกล H2 ซงเปนโมเลกลทงายทสดกอน

เราจะพจารณาผลรวมของแรง 2 แรงทมสวนเกยวของ คอ

1. แรงดงดดทนวเคลยสหนงมตออเลกตรอนของอกอะตอมหนง เราใหคาเปนบวก

2. แรงผลกระหวางนวเคลยส และระหวางอเลกตรอน เราใหคาเปนลบ




ตสมท




6-9 6.3: ทฤษฎพนธะเวเลนซ

นอกจากแรงทงสองแลว เรากยงพจารณาพลงงานศกยทเกดจากแรงทงคนดวย เราจะวาดกราฟโดยใหแกนนอนคอระยะระหวางอะตอม แกนตงคอแรง (ภาพบน) และพลงงาน (ภาพลาง)

เราจะเหนวา มระยะอยระยะหนงททำาใหผลรวมของแรงดด และแรงผลกมคาเปน 0 คอระบบอยในสมดลนนเอง

ทจดเดยวกนน เราจะเหนอกวาพลงงานศกยของระบบ ลดลงจนถงจดตำาสด กลาวคอระบบมความเสถยรมากทสดนนเอง

ระยะนเองคอความยาวพนธะ (bond

length) และ พลงงานศกยตำาสดนกคอพลงงานทตองใชในการสลายพนธะ หรอบอนดเอนทลป (bond enthalpy)

นคอคำาอธบายการเกดพนธะตามทฤษฎพนธะเวเลนซ ทำาใหเราสามารถอธบายไดวา ทำาไมพนธะ H–H และ F–F ซงลวนเกดจากการแบงอเลกตรอนคเดยวเหมอนกน กลบมบอนดเอนทลปตางกนมาก

6.4: การเกดออรบทลลกผสม

จากทเราไดเรยนผานมาแลว เราจะสามารถเขยนแผนภาพแสดงการจดเรยงอเลกตรอนของ C

ไดดงภาพ (แสดงแคชนนอกสด)

⇅2s

↑ ↑

2p

จะเหนวามอเลกตรอนเดยวแค 2 ตว ถาเชนนน C กควรจะสรางพนธะไดเพยง 2 พนธะ แตเรากรวา C ใน methane (CH4) สรางพนธะไดถง 4 พนธะ

ทางเลอกหนงกคอกระตนอเลกตรอน 1 ตวในออรบทล 2s ใหขนมาอยในออรบทล 2p เพอใหเปนดงน

↑2s

↑ ↑ ↑

2p

คราวนกสามารถสรางพนธะได 4 พนธะตามตองการ แตยงคงมปญหาอยคอ มมระหวางพนธะใน methane มคาเปน 109.5° แตออรบทลยอยของ p นนทำามมกนแค 90°




ตสมท




6.4: การเกดออรบทลลกผสม 6-10

ทฤษฎ VB เสนอวาออรบทลในอะตอม C ของ methane เกดการรวมตวกน (hybridization) ของออรบทล 2s และ 2p กลายเปนออรบทลลกผสม (hybrid orbital) ทม4 ออรบทลยอย ภายในมอเลกตรอนอยออรบทลยอยละ 1 ตว

สำาหรบ C ทเราสนใจน ออรบทลใหมจะตองเกดจากออรบทล s และออรบทลยอยทง 3

ของ p ดวย เราจงเรยกออรบทลลกผสมนวา sp3

↑ ↑ ↑ ↑sp3 hybrid orbital

ออรบทลลกผสมทเกดขนจะมลกษณะของออรบทลตนกำาเนดแตละออรบทลผสมผสานกนอย จะเหนไดดงภาพ

ออรบทล s

ออรบทล sp3

ออรบทล p

ในดานพลงงาน ออรบทลลกผสมกจะมคาพลงงานอยระหวางออรบทลตนกำาเนด แตจะคอนไปขางทมสวนรวมในการสรางออรบทลลกผสมนนมากกวา เชน ออรบทล sp มระดบพลงงานใกลกบ s มากกวา sp3 เปนตน

เราจะมาศกษาออรบทลลกผสมแตละชนดกน

1. ออรบทลลกผสม sp: ตวอยางของอะตอมทมออรบทลแบบน คอ Be ใน BeCl2

• Be มการจดเรยงอเลกตรอนเปน⇅2s

2p




ตสมท




6-11 6.4: การเกดออรบทลลกผสม

• ตองการอเลกตรอนเดยว 2 ตว จงกระตนในอเลกตรอนตวหนงจากออรบทล 2s ขนไปอยในออรบทล 2p

↑2s

↑

2p

• เกดออรบทลลกผสม กลายเปน↑ ↑

sp hybrid orbital ออรบทล p ทเหลอ

2. ออรบทลลกผสม sp2: ตวอยางของอะตอมทมออรบทลแบบน คอ B ใน BF3

• B มการจดเรยงอเลกตรอนเปน⇅2s

↑

2p

• ตองการอเลกตรอนเดยว 3 ตว จงกระตนในอเลกตรอนตวหนงจากออรบทล 2s ขนไปอยในออรบทล 2p

↑2s

↑ ↑

2p

• เกดออรบทลลกผสม กลายเปน↑ ↑ ↑

sp2 hybrid orbital ออรบทล p ทเหลอ

3. ออรบทลลกผสม sp3: ตวอยางของอะตอมทมออรบทลแบบน คอ C ใน CH4 ทไดใชเปนกรณอธบายไปแลว

↑ ↑ ↑ ↑sp3 hybrid orbital

4. ออรบทลลกผสม sp3d: ตวอยางของอะตอมทมออรบทลแบบน คอ P ใน PCl5

↑ ↑ ↑ ↑ ↑

sp3d hybrid orbital ออรบทล d ทเหลอ

5. ออรบทลลกผสม sp3d2: ตวอยางของอะตอมทมออรบทลแบบน คอ S ใน SF6

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

sp3d2 hybrid orbital ออรบทล d ทเหลอ

เราจะพบวาวธทงายทสดในการระบวาอะตอมใดมการเกดออรบทลลกผสมแบบใด คอการอาศยรปรางของโมเลกลเปนเครองบงช เพราะออรบทลลกผสมจะมรปรางทเหมอนหรอคลายกบรปรางทไดจากการใชแบบจำาลอง VSEPR




ตสมท




6.4: การเกดออรบทลลกผสม 6-12

VB ยงสามารถอธบายโมเลกลทอะตอมกลางมอเลกตรอนคโดดเดยวไดดวย ยกตวอยางเชน NH3

• N มการจดเรยงอเลกตรอนเปน⇅2s

↑ ↑ ↑

2p

• NH3 มรปรางเปนทรงสหนา เกดออรบทลลกผสม sp3

⇅ ↑ ↑ ↑sp3 hybrid orbital

• พบวามอเลกตรอนเดยว 3 ตวทสามารถสรางพนธะได และมอเลกตรอนคโดดเดยว 1 ค

sp hybrid orbital sp2 hybrid orbital sp3 hybrid orbital

sp3d hybrid orbital sp3d2 hybrid orbital


วาดแผนผงแสดงออรบทลลกผสม พรอมทงออรบทลทเหลอจากการเกดออรบทลลกผสมนน ของธาตตอไปน

1. Be ใน BeH2




ตสมท




6-13 6.4: การเกดออรบทลลกผสม

2. Al ใน AlI3

3. P ใน PF3

4. Si ใน SiBr4

5. C ใน C2H4

6.5: การเกดพนธะเดยว

ดงทไดกลาวไปแลววา ทฤษฎ VB อธบายการเกดพนธะในลกษณะของการซอนทบกนออรบทล (orbital overlap) เราจะกลบไปดโมเลกล H2 ซงเปนตวอยางทงายทสดอกครง

ในสวนน เราจะศกษาการซอนทบกนของออรบทล s ของ H จำานวน 2 อะตอม เพอใหเกดเปน H2

• ทจด (1) อะตอมไฮโดรเจนทงสองยงอยหางกนมาก จนแรงททงคไดรบเกอบเปนศนย

• ทจด (2) อะตอมทงคเคลอนเขาใกลกนมากพอทจะรบรแรงดงดดจากอกฝายได จงยงเคลอนเขาใกลกนมากขน จนออรบทลของทงคเรมซอนทบกนมากขน

• ทจด (3) อะตอมทงคเคลอนเขามาหางกนเปนระยะเทากนความยาวพนธะพอด เปนระยะทระบบมพลงงานตำาสด อเลกตรอนมความหนาแนนมากทตรงกลางระหวางอะตอมทงสอง




ตสมท




6.5: การเกดพนธะเดยว 6-14

ภาพจำาลองออรบทลทจด (1)

ภาพจำาลองออรบทลตงแตจด (2) แตยงไมถงจด (3)

ภาพจำาลองออรบทลทจด (3)

พนธะเดยวอนๆ กมลกษณะการเกดขนแบบเดยวกนน เชน พนธะ C–H ใน CH4 กเกดจากการซอนทบกนของออรบทล sp3 ของ C กบออรบทล s ของ H

พนธะในลกษณะนมอเลกตรอนหนาแนนอยในแนวระหวางนวเคลยสของอะตอมคสรางพนธะเราเรยกพนธะแบบนวา พนธะซกมา (σ-bond) พนธะเดยวทงหมดเปนพนธะแบบซกมา




ตสมท




6-15 6.6: พนธะค และพนธะสาม

6.6: พนธะค และพนธะสาม

เราทราบแลววาพนธะเดยวนนเปนแบบซกมา ในสวนนเราจะมากลาวถงพหพนธะ โดยเราจะอาศยตวอยาง C2H4 มาเปนกรณศกษา

จะเหนไดวา C แตละอะตอมมอะตอมอนลอมรอบ 3 อะตอม มรปรางเปนสามเหลยมแบนราบ แสดงวามออรบทลลกผสมแบบ sp2


ลองวาดแผนผงแสดงออรบทลลกผสม พรอมทงออรบทลทเหลอจากการเกดออรบทลลกผสมนน ของ C ใน C2H4

เราเรมพจารณาให C สรางพนธะเดยว (พนธะซกมา) กบอะตอมอนโดยรอบกอน เราจะไดโครงสรางดงภาพ

เรากไดพนธะ C–H ทกพนธะ แตพนธะทเชอมระหวางอะตอม C ตองเปนพนธะค เราจะทำาอยางไร? ถาเรายงจำาได ตอนทเกดออรบทลแบบ sp2 เรายงคงเหลอออรบทล p อย และในออรบทล p นน เรายงมอเลกตรอนเหลออยดวย โครงสรางทเรามตอนนจงกลายเปนดงภาพ (เราจะละออรบทลทเกดพนธะไปแลว เพอใหภาพมความชดเจนขน)




ตสมท




6.6: พนธะค และพนธะสาม 6-16

ออรบทล p ทงสองเกดการซอนทบกนเอง กลายเปนดงภาพ

ออรบทล p ทซอนทบกนน เปนพนธะอกพนธะหนงซงยดอะตอม C ไวดวยกน เรากจะไดพนธะคอยางทคาดการณไว

แตเราจะสงเกตเหนวา พนธะทเกดจากการซอนกนทางดานขางของออรบทล p น ตางจากพนธะซกมา เพราะ พนธะนมอเลกตรอนหนาแนนอยดานขางของเสนระหวางนวเคลยส แตไมมอเลกตรอนอยในแนวเสนระหวางนวเคลยสเลย พนธะทมสมบตแบบนเรยกวาพนธะพาย(π-bond)


ลองอธบายพนธะตางๆ ในสารประกอบตอไปนดวยทฤษฎ VB

1. C2H2

2. CH2O




ตสมท




6-17 6.7: ทฤษฎออรบทลโมเลกล

6.7: ทฤษฎออรบทลโมเลกล

ทฤษฎตางๆ ทเราเรยนมาจนถงขณะนกสามารถอธบายการเกดพนธะเคมไดดในระดบหนง แตกยงมสมบตบางประการทไมสามารถอธบายไดดวยทฤษฎทเรามอยขณะน เชน ในโมเลกล O2

เราจะเหนวาอเลกตรอนทกตวในโมเลกลนมคทงหมด ดงนนโมเลกลออกซเจนควรจะเปนสารไดอาแมกเนทก แตเรากลบพบวาโมเลกลออกซเจนเปนสารพาราแมกเนทก แสดงวาในโมเลกลออกซเจนตองมการจดเรยงอเลกตรอนอกแบบหนงททำาใหมอเลกตรอนทไมมคอย

เราจะใชทฤษฎออรบทลโมเลกล (molecular orbital theory: MO theory) มาอธบายเรองน แตกอนอน เราจะตองมาทำาความเขาใจเรองการแทรกสอดกนของคลนกอน

6.8: การแทรกสอดกนของคลน

คลน (รวมทงอเลกตรอน) 2 ขบวนสามารถแทรกสอดกนได 2 รปแบบคอ

1. แทรกสอดแบบเสรม (constructive interference) ทำาใหอำาพล (ขนาดของการสน:

amplitude) มคาสงขน

2. แทรกสอดแบบหกลาง (destructive interference) ทำาใหอำาพลของคลนมคาตำาลง

สำาหรบคลน 2 ขบวนทมความถเทากน เราอาจเหนการแทรกสอดทเปนแบบเสรมกน หรอหกลางกนโดยสมบรณได ดงภาพ

↓ ↓

แทรกสอดแบบเสรม แทรกสอดแบบหกลาง




ตสมท




6.8: การแทรกสอดกนของคลน 6-18

ทฤษฎ MO อธบายวา...

1. เมออเลกตรอนเปนคลน ดงนนการเขาซอนทบกนของออรบทล จงเกดได 2 รปแบบ คอแบบเสรม และหกลาง

2. เมอออรบทลอะตอมเกดการซอนทบกน จะเกดเปนออรบทลโมเลกล

• ออรบทลโมเลกลทเกดจากการแทรกสอดแบบเสรม จะมพลงงานตำากวาออรบทลตนกำาเนด เรยกวา ออรบทลโมเลกลแบบสรางพนธะ (bonding molecular orbital)

• ออรบทลโมเลกลทเกดจากการแทรกสอดแบบหกลาง จะมพลงงานสงกวาออรบทลตนกำาเนด เรยกวาออรบทลโมเลกลแบบตานการสรางพนธะ (antibonding

molecular orbital) ใชสญลกษณ * เพอใหแตกตางจาก bonding MO

การเขยนสญลกษณของออรบทลโมเลกลเราจะเขยนดงตวอยาง

• σ1s แปลวา เปน bonding MO ทเกดจากการซอนทบกนแบบซกมาของออรบทล 1s

• σ1s∗ แปลวา เปน antibonding MO ทเกดจากการซอนทบกนแบบซกมาของออรบทล 1s

เราจะเรมท H2 อกครงเพอความงาย แลวเราจะคอยเพมความซบซอนขน

เมออะตอม H จำานวน 2 อะตอมสรางพนธะกน จะเกดออรบทลโมเลกลขนจากออรบทล 1s ของ H ทงค (เรารอยแลววาออรบทล 1s ซอนทบกนไดแบบซกมาเทานน)

เรากจะสามารถเขยนแผนภาพแสดงระดบพลงงานของออรบทลตางๆ ไดดงน




ตสมท




6-19 6.8: การแทรกสอดกนของคลน

นอกจากน พนธะแบบซกมายงสามารถเกดระหวางออรบทล p ไดดวย ในกรณทออรบทลทงสองวางตวอยในแนวระหวางนวเคลยสพอด

แตถาออรบทล p นนวางตวตงฉากกบแนวระหวางนวเคลยส การซอนทบของออรบทลจะกลายเปนแบบพาย

ในการเขยนแสดงการเกดของออรบทลโมเลกล เราจะอาศยหลกการดงตอไปน

1. จำานวนออรบทลยอยทเกดขนตองเทากบจำานวนของออรบทลทเขามาแทรกสอดกน

2. bonding MO ยงเสถยร (พลงงานตำา) จะทำาให antibonding MO เสถยรนอยลง (พลงงานสง)

3. อเลกตรอนจะเขาสออรบทลโมเลกลทมพลงงานตำากวากอนเสมอ

4. การจดเรยงอเลกตรอนยงเปนไปตามกฏของเพาล และกฏของฮนด

5. จำานวนอเลกตรอนในออรบทลโมเลกล ตองเทากบอเลกตรอนในออรบทลอะตอมแรกเรม




ตสมท




6.8: การแทรกสอดกนของคลน 6-20

เราจะแทรกเรองอนดบของพนธะไวตรงนเพอความตอเนองของเนอหาทจะกลาวตอไป

6.9: อนดบของพนธะ

อนดบของพนธะ (bond order) เปนเครองบงชความเสถยรของโมเลกลอยางหนง โดยทวไปเราจะกลาววา อนดบของพนธะมคาเทากบครงหนงของจำานวนอเลกตรอนทใชสรางพนธะระหวางอะตอมคหนง เชน

• มอเลกตรอนทอยในพนธะ C=C ทงหมด 4 ตว พนธะ C=C มอนดบพนธะเปน 2

• มอเลกตรอนทอยในพนธะ C–H พนธะละ 2 ตว พนธะ C–H มอนดบพนธะเปน 1

โดยทวไป อนดบของพนธะจะสามารถบอกเราไดคาพนธะใดยดไดแขงแรงกวา ยงอนดบของพนธะมาก ความแขงแรงกจะเพมขนดวย


หาอนดบพนธะของพนธะเคมตอไปน

1. พนธะ C–C ใน C2H6

2. พนธะ F–F ใน F2

3. พนธะ O=O ใน O2

4. พนธะ C=O ใน CO2

5. พนธะ C≡N ใน HCN




ตสมท




6-21 6.9: อนดบของพนธะ

6. พนธะ C≡C ใน C2H2

7. พนธะระหวาง O แตละคใน O3

8. พนธะระหวาง C และ O ใน CO32−

ในออรบทลโมเลกล เราจะถอวาอเลกตรอนทอยใน antibonding MO มผลหกลางการสรางพนธะของอเลกตรอนทอยใน bonding MO ดงนนจำานวนอเลกตรอนใชสรางพนธะจงกลายเปน

จำานวนอเลกตรอนทใชสรางพนธะ

= จำานวนอเลกตรอนในbonding MO − จำานวนอเลกตรอนใน

antibonding MO จากนยามของอนดบพนธะ เราจะได

อนดบของพนธะ =12 จำานวนอเลกตรอน

ทใชสรางพนธะ =

12 [จำานวนอเลกตรอนใน

bonding MO − จำานวนอเลกตรอนในantibonding MO ]

จากแบบฝกหดทแลว เราจะสงเกตวา พนธะเดยวมอนดบของพนธะเปน 1, พนธะคมอนดบของพนธะเปน 2, และพนธะสามมอนดบของพนธะเปน 3 แตเราไมสามารถบอกอนดบของพนธะในสารประกอบทมเรโซแนนซได

แตการพจารณาผานทฤษฎ MO จะสามารถใหคาอนดบของพนธะแบบตดครง (มเศษ 0.5) ไดดวย จงสามารถใชพจารณาสารประกอบทมเรโซแนนซไดดวย (แตในชนนยงไมกลาวถง)

นอกจากน เรายงสามารถหาวาโมเลกลใดมความเสถยรนอยมากไดดวย โมเลกลเหลานมอนดบของพนธะทตำามาก เชน 0




ตสมท




6.10: ออรบทลโมเลกลในโมเลกลธาตอะตอมค 6-22

6.10: ออรบทลโมเลกลในโมเลกลธาตอะตอมค

เมอเราไดเรยนเรองอนดบของพนธะมาแลว เราจะเขาสเรองของการเกดโมเลกล โดยอาศยทฤษฎ MO กน ในชนน เราจะสนใจเพยงโมเลกลทเกดจากอะตอมของธาตเดยวกน 2 อะตอมเทานน

6.10.1: H และ He

H และ He เปนธาตในคาบท 1 มการจดเรยงอเลกตรอนทสถานะพนอยในออรบทล 1s

เทานน เราจะแบงการศกษาออกเปน 4 กรณ

1. H 2 : เกดจาก H จำานวน 2 อะตอม

• อะตอมหนงมอเลกตรอน 1 ตว

• อกอะตอมหนงไมมอเลกตรอน

2. H2: เกดจาก H จำานวน 2 อะตอม ทงคมอเลกตรอน 1 ตว

3. He2 : เกดจาก He จำานวน 2 อะตอม

• อะตอมหนงมอเลกตรอน 2 ตว

• อกอะตอมหนงมอเลกตรอน 1 ตว

4. He2: เกดจาก He จำานวน 2 อะตอม ทงคมอเลกตรอน 2 ตว

H 2

σ1s1

H2

σ1s2




ตสมท




6-23 6.10: ออรบทลโมเลกลในโมเลกลธาตอะตอมค

He2

σ1s2σ1s

∗

1

He2

σ1s2σ1s

∗

2

การเขยนการจดเรยงอเลกตรอนในออรบทลโมเลกล ทำาในแบบเดยวกนกบการเขยนการจดเรยงอเลกตรอนในออรบทลอะตอม ดงตวอยางในตารางดานบน


1. ลองหาอนดบของพนธะในโมเลกล 4 ชนดทผานมา

2. อธบายวาทำาไม He2 จงไมเสถยรอยางมาก จนสามารถเกดไดเพยงชวขณะเฉพาะในสภาพแวดลอมพเศษเทานน




ตสมท





6.10.2: ธาตในคาบท 2

ธาตในคาบท 2 มอเลกตรอนในออรบทล 1s อยเตมแลว จงทำาใหออรบทลโมเลกล σ1s และ σ1s

∗ เตมดวยเชนกน เหนไดวาออรบทลโมเลกลทงสองไมมผลตออนดบของพนธะ (ดแผนภาพของ He2) ดงนนเราจะละออรบทลทงสองนเพอความงายในการเขยนตอไป

สวนการแทรกสอดของออรบทล 2s กยงไมมขอแตกตางจากการแทรกสอดของออรบทล 1s มากนก คอเราจะไดแผนภาพลกษณะเดยวกน

แตขอแตกตางเรมขนทออรบทล 2p เพราะออรบทลยอยใน p สามารถแทรกสอดกนไดทงแบบซกมาและแบบพาย แตละแบบจะใหออรบทลโมเลกลทมระดบพลงงานตางกน

***ในเอกสารน เราจะถอวาอะตอมทงสองเคลอนทเขาหากนในทางแกน x ดงนนออรบทล 2px

จะแทรกสอดกนแบบซกมา สวนออรบทล 2py และ 2pz จะแทรกสอดกนแบบพาย (แตในบางตำาราอาจใหอะตอมเคลอนเขาหากนตามแกน y หรอ z กได แลวแตผเขยน)

ธาตกอน O ธาตตงแต O เปนตนไป




ตสมท




6-25 6.10: ออรบทลโมเลกลในโมเลกลธาตอะตอมค

เราจะสามารถสรปการจดเรยงอเลกตรอนในออรบทลโมเลกลของธาตในคาบท 2 ไดดงน

Li2 Be2 B2 C2 N2 O2 F2 Ne2

σ2p∗ σ2p

∗

π2py

∗ , π2pz

∗ ↑ ↑ π2py

∗ , π2pz

∗

σ2px⇅ ⇅ ⇅ π2py

, π2pz

π2py, π2pz

⇅ ⇅ ⇅ σ2px

σ2s∗ ⇅ ⇅ σ2s

∗

σ2s ⇅ ⇅ σ2s

อนดบของพนธะ – 3 2 –

ความยาวพนธะ (pm)

267 – 159 131 110 121 142 –

บอนดเอนทลป (kJ/mol)

104.6 – 288.7 627.6 941.4 498.7 156.9 –

สมบตแมเหลก – –


1. เตมตารางดานบนใหสมบรณ

2. เขยนการจดเรยงอเลกตรอนของโมเลกลแตละชนดทมในตาราง

3. อธบายวาทำาไม O2 ถงถกดงดดไดดวยแมเหลก




ตสมท





4. เขยนแผนภาพระดบพลงงาน และการจดเรยงอเลกตรอนของ N2

5. พจารณาวา F2 หรอ F2− มพนธะทยาวกวา

6.11: ภาวะดโลคลไลซ

เมอเราพจารณาการสรางพนธะในฐานะการแทรกสอดกนของออรบทล ดงนนเรากสามารถอธบายโมเลกลทมโครงสรางเรโซแนนซได ทงน เพราะการพจารณาในแบบใหมน ไมมขอจำากดแบบเดยวกบการใชสตรแบบจด คออเลกตรอนแตละตวไมจำาเปนตองอยประจำาพนธะแตอยางใด เราจะใช benzene (C6H6) มาเปนตวอยาง

การเรยงตวของอะตอมตางๆ ในเบนซน เปนดงภาพ

เราจะเรมพจารณาทโครงสรางทมแตพนธะเดยวกอน




ตสมท




6-27 6.11: ภาวะดโลคลไลซ

พจารณาท C จะเหนวามพนธะเชอมกบอะตอมโดยรอบ 3 อะตอม และมรปรางเปนสามเหลยมแบนราบ แสดงวา C ตองเกดออรบทลลกผสม sp2 การเกดออรบทลแบบน จะทำาใหมออรบทล p วางอยอก 1 ออรบทลยอย

ออรบทล p ทวางอยนเองทจะสรางพนธะคใหเกดขน ออรบทลเหลานเรยงตวอยดงภาพ (ในภาพ เราตดออรบทลทสรางพนธะเดยวออก เพอเนนออรบทล p)

เนองจากเรามองการเกดพนธะเปนเหมอนการแทรกสอดของคลนอเลกตรอน ออรบทลทงหลายสามารถแทรกสอดกบออรบทลใกลเคยงไดพรอมๆ กน โดยไมจำาเปนวาตองแทรกสอดกนเปนคๆ กได

ออรบทลใหมทเกดจากการแทรกสอดของออรบทลมากมายอยางน ไมไดจำากดขอบเขตแคอะตอมคใดคหนง แตแผครอบคลมหลายๆ อะตอม เราเรยกวาออรบทลโมเลกลทถกดโลคลไลซ (delocalized molecular orbital)

carbonate ion ( CO32− ) กเปนอกตวอยางหนง การเรยงตวของอะตอมเปนดงภาพ




ตสมท




6.11: ภาวะดโลคลไลซ 6-28

เราจะละพนธะเดยว แลวพจารณาเฉพาะออรบทล p ทวางจากการสรางออรบทลลกผสม จะไดเปน

→

เราพบวาโครงสรางทมการดโลคลไลซนนมความเสถยรมาก (ไมไวตอปฏกรยา) ถาเทยบกบโครงสรางทใกลเคยงกน แตไมมการดโลคลไลซ


อธบายโมเลกลของ NO3− ดวยแนวคดของการดโลคลไลซ

***แบบจำาลองออรบทลในเอกสารนสรางขนโดยซอฟตแวร Orbital Viewer 1.04 พฒนาโดย David Manthey (http://www.orbitals.com/orb) ป 2004



Documents

Chemical Bonds (Thai)