Rajamangala University of Technology Phra Nakhon

Ionic bond Covalent bond Metallic bond

These subjects will be presented according to the curriculum of Chemistry for Engineers (02-411-103)

Faculty of Science and Technology, RMUTP

iamworavith Dr.Woravith Chansuvarn Lasted update: Jan 2015

พนธะเคม

2

แผนการสอนและการเรยนร

จดประสงคการเรยนร อธบายพนธะไอออนก อธบายพนธะโคเวเลนซ อธบายพนธะโลหะ

บทเรยน 4.1 แรงยดเหนยวภายในโมเลกล

การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบยอยรายหนวย

เอกสารประกอบการสอน

หนงสอ โครงการต าราวทยาศาสตรและคณตศาสตร มลนธ สอวน. 2547. เคม (เคมค านวณ อะตอม ตารางธาต พนธะเคม), กรงเทพฯ: บรษทดานสทธาการพมพ จ ากด.

อนทรา หาญพงษพนธ และ บญชา พลโภคา. 2545. เคมทวไป ส าหรบนสตวศวกรรมศาสตร. กรงเทพฯ: ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.

อภสฏฐ ศงสะเสน, สรณนรนทร บงเกดผล และอาทตย สกลตนตเมธา. 2554. เคมทวไปส าหรบวศวกร. กรงเทพฯ: บรษท ทรฟเพล กรป จ ากด.

Brown L.S. and Holme H.E., 2006. Chemistry for Engineering Students, 2nd ed., Canada. Chang R. and Goldsby K.A., 2013. Chemistry, 7th ed., New York: McGraw-Hill. Silberberg M.S. 2013. Principle of General Chemistry, New York: McGraw-Hill.

3

เอกสารประกอบการสอน หนวยท 4 http://www.slideshare.net/woravith/rmutp-chemical-bonds

เวบไซตแนะน า http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry1/chemical_bonding/chemical_bonding_home.htm

แรงยดเหนยวทเกดขนระหวางอะตอมสองอะตอมในโมเลกล หรอเปนแรงทเกดขนระหวางอะตอมของสองโมเลกล

พนธะเคมเกดขนไดแตกตางกน มผลใหโมเลกลหรอสารประกอบทเกดขนนนมรปแบบและสมบตทแตกตางกนไปดวย

การเกดพนธะเคมเกยวของกบอเลกตรอนทระดบชนพลงงานนอกสดเทานน

4

ทบทวน เวเลนซอเลกตรอน - อเลกตรอนวงนอกสด

5

เวเลนซอเลกตรอนคอ อเลกตรอนทอยชนระดบพลงงานนอกสด

electron

valence electron L-Shell

nucleus

Electronegativity (EN) - คาแสดงความสามารถในการดงอเลกตรอนเขาหาตวเองของธาต

Lewis dot symbols

6

อเลกตรอนวงนอกสดของธาตเรพรเซนเททฟ (หม A) ทงหมด จะมจ านวนเทากบเลขหมของธาต

กฎออกเตต การเกดพนธะเคมระหวางอะตอมเกยวของกบอเลกตรอนวงนอกสด โดยมแนวโนมทระดบพลงงานชนสดทายพยายามเปลยนแปลง ใหมจ านวนอเลกตรอนวงนอกสดครบ 8 ตว เชนเดยวกบแกสมสกล

7

พนธะไอออนก

8

เปนแรงยดเหนยวระหวางไอออนประจบวกและไอออนประจลบ

... ..... .. ..F F....Li + Li

+ -

1s2 2s1 1s2 2s2 2p5 1s2 1s2 2s2 2p6

ผลตางคา EN ระหวางธาตทเกดพนธะ > 2 พนธะเกดระหวางธาตโลหะกบอโลหะ เกดการถายเทอเลกตรอนจากโลหะใหแกอโลหะ > Electrostatic

attraction

9

+Na + : Cl [Na ] + [:Cl :]

อะตอมทใหอเลกตรอนมกเปนธาตโลหะ ท าใหโลหะนนมประจบวก และอะตอมทรบอเลกตรอนมกเปนอโลหะ จงมประจลบ อะตอมทสญเสย e- กลายเปน ไอออนบวก (cation) อะตอมทรบ e- กลายเปน ไอออนลบ (anion)

เกดจากแรงดงดดระหวางไอออนทประจไฟฟาตางกน เปนเหตใหพนธะไอออนกคงอย ไดอยางเสถยร

สารทเกดจากพนธะไอออนกเรยกวา สารประกอบไอออนก

10

พลงงานแลตทซ (พลงงานโครงผลก) พลงงานแลตทซ คอพลงงานทคายออกมาเมอไอออนบวกและไอออนลบในสถานะแกสรวมตวกนเปนผลกไอออนก 1 โมล พลงงานแลตทซบอกถงเสถยรภาพของผลกไอออนก ผลกไอออนกทมคาพลงงานแลตตซมากแสดงวามพนธะไอออนกทแขงแรง ผลกมเสถยรภาพมาก

11

... ..... .. ..F F....Li + Li

+ -+ Lattice Energy

วฏจกรบอรน-ฮาเบอร การหาพลงงานแลตทซของผลกไอออนกไมสามารถหาไดโดยตรง ค านวณหาพลงงานแลตทซไดโดยวธออมเปนขนตอนตามวฏจกรบอรน-ฮาเบอร โดยตองรคาเอนทลปมาตรฐานของการเกด (standard enthalpy of formation; Hf

o) ซงคานเปนการเปลยนแปลงความรอนทเกดจากการทธาตองคประกอบท าปฏกรยากนเพอเกดเปนสารประกอบจ านวน 1 โมล ทอณหภม 25C ความดน 1 atm

12

Born-Haber : NaCl

พลงงานแลตทซ พลงงานการระเหด

พลงงานการสลายพนธะ

พลงงานไอออไนเซชน สมพรรคภาพอเลกตรอน

13

พลงงานแลตทซของการเกดผลก NaCl

ขนท 1 พลงงานการระเหด (Hsub) Na(s) Na+(g) (Hsub=107.3 kJ/mol) ขนท 2 พลงงานการสลายตวของ Cl2 (Hdis) Cl2(g) 2Cl(g) (Hdis=244 kJ/mol) ½ Cl(g) Cl(g) (Hdis=122 kJ/mol) ขนท 3 พลงงานไอออไนเซชน (IE) Na(g) Na+(g) + e- (IE=495.8 kJ/mol) ขนท 4 พลงงานสมพรรคภาพอเลกตรอน (EA) Cl(g) + e- Cl-(g) (EA=-349 kJ/mol) ขนท 5 พลงงานแลตทซ Na+(g) + Cl-(g) NaCl(s) (Hlattice)

14

15

Hfo = Hsub + Hdis + HIE + HEA + Hlatice

Hlatice= Hfo - Hsub - Hdis - HIE - HEA

= -410.9 - 107.3 - 122 - 495.8 – (-349) = -788 kJ พลงงานแลตทซของการเกดผลก NaCl เทากบ 788 kJ/mol

Hfo ของ NaCl = -410.9 kJ/mol

16

สมบตของสารประกอบไอออนก

17

มสถานะของแขงทอณหภมหอง ไมน าไฟฟา

สถานะสารละลาย สามารถน าไฟฟาไดด มจดเดอด จดหลอมเหลวสง ละลายไดดในตวท าละลายทมขว เปราะ แตกหกงาย ปฏกรยาของสารประกอบไอออนกเกดขนไดเรว

http://chewtychem.wiki.hci.edu.sg

www.atom.rmutphysics.com

18

http://chewtychem.wiki.hci.edu.sg

www.atom.rmutphysics.com

สตรและการเรยกชอสารประกอบไอออนก

การเขยนสตรไอออนก เขยนไอออนประจบวกตามดวยประจลบ (ไมตองมขดแสดงแขนพนธะ)

เขยนอยในรปของสตรสดสวนลงตวเสมอ ผลรวมของประจของไอออนบวกและไอออนลบจะตองมคาเทากบศนย

19

ประจไอออน

20

ประจไอออนบวกและไอออนลบ = เลขออกซเดชนของธาต บางธาตสามารถมประจไดมากกวา 1 คา บางธาตเปนไดทงประจบวกและประจลบ

+1 +2 -3 -2 -1

การเขยนสตรไอออนก

21

การอานชอ-ไอออนบวก

22

อานตามชอธาตเดม

การอานชอ-ไอออนลบ

23

อานเปลยนค าลงทาย เปน –ide เรยกชอเฉพาะ / ชอสามญ

การอานชอ-สารประกอบไอออนก

24

พนธะโคเวเลนซ พนธะทเกดจากอะตอมตงแต 2 อะตอม น าอเลกตรอนวงนอกสดมาใชรวมกนในจ านวนเทาๆ กน เวเลนซอเลกตรอนทใชในการสรางพนธะ เรยกวา อเลกตรอนครวมพนธะ (bonded-pair electron)

เวเลนซอเลกตรอนทไมไดใชในการสรางพนธะ เรยกวา อเลกตรอนคโดดเดยว (lone-pair electron)

25

อเลกตรอนครวมพนธะ

เกดจากธาตทมคา EN ใกลเคยงกน

26

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

..F ....

+ หรอF F F.. F F

.. ..+H H H H หรอ H H

อเลกตรอนครวมพนธะ

อเลกตรอนคโดดเดยว

การเกดพนธะโคเวเลนซ

27

แรงผลกและแรงดงดดทสมดลกนระหวางอะตอมทงสอง

เกดแรงผลกระหวางอเลกตรอนของแตละอะตอม แรงผลกระหวางนวเคลยสของแตละอะตอม แรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนของอะตอมทงสอง

Covalent : H2

28

ความยาวพนธะ H-H

ชนดพนธะโคเวเลนซ พนธะเดยว (single bond) > ใชอเลกตรอนรวมกน 1 ค H2O

พนธะค (double bond) > ใชอเลกตรอนรวมกน 2 ค CO2

พนธะสาม (triple bond) > ใชอเลกตรอนรวมกน 3 ค N2

29

... ..... ..H HH O O..H

.. .. ..... ... ..O O ..C O C O

.. ........N N N N

พนธะโคออรดเนตโคเวเลนซ

30

“อะตอมของธาตหนงเปนผ ใหอเลกตรอนคแกอกอะตอมหนงทมออรบทลวางสามารถคอเลกตรอนได”

อะตอมทใหอเลกตรอนค เรยกวา electron paired donor อะตอมทรบอเลกตรอนค เรยกวา electron paired acceptor ผ รบคอเลกตรอนตองมออรบทลวางส าหรบรบอเลกตรอนครวมพนธะเพอเกดเปนพนธะโคเวเลนซ

31

Coordination covalent

NHH

H

B

F

FF NH

H

H

B

F

FF

สตรโครงสรางโมเลกล

32

สตรแบบจด สตรแบบเสน

การเขยนสตรโครงสรางโมเลกลอาศยโครงสรางอเลกตรอนของลวอสเรยกวา สตรโครงสรางของลวอส

สตรโครงสรางลวอส ขนท 1 ก าหนดอะตอมกลาง และอะตอมลอมรอบอะตอมกลาง

ขนท 2 รวมจ านวนเวเลนซอเลกตรอนทงหมดของทกอะตอม

ขนท 3 กระจายคอเลกตรอน ระหวางธาต ขนท 4 กระจายอเลกตรอนทเหลอ ตามกฎออกเตต

ขนท 5 เขยนเสนแทนอเลกครวมพนธะ

33

N = 5, F = 7x3 =21 จ านวน e = 26

: : :

: : : : : : :

: :

: : :

:

:

สภาพขวของพนธะ

34

สภาพขวของพนธะเกดขนจากกลมหมอกอเลกตรอนกระจายตวอยางไมเทากน เรยกวา ไดโพลโมเมนต โดยบรเวณทมอเลกตรอนหนาแนนมากกวาจะประพฤตตวเปนประจลบเลกนอย (-)

สวนบรเวณทมความหนาแนนอเลกตรอนนอยกวาจะประพฤตตวเปนประจบวกเลกนอย (+)

แนวโนมการกระจายตวและความหนาแนนของอเลกตรอนรอบนวเคลยสพจารณาจากคา EN

สภาพขวของพนธะ

35

ความหนาแนนของอเลกตรอนรอบนวเคลยส

สภาพขวของพนธะ พนธะไมมขว คอสภาพขวของพนธะโคเวเลนซทเกดจากอะตอมของธาตชนดเดยวกน (คา EN เทากน) เชน H–H, Cl-Cl

36

พนธะมขว คอสภาพขวของพนธะทเกดขนเมออเลกตรอนทใชรวมกนกระจายระหวาง 2 อะตอมไมเทากน เนองมาจากอะตอมทงสองมคา EN ตางกน เชน H2O, HF • อะตอมทมคา EN มากกวาจะมสภาพขวไฟฟา

เปนลบเลกนอย (เขยนแทนดวย -) • อะตอมทมคา EN นอยกวาจะมสภาพขวไฟฟา

เปนบวกเลกนอย (เขยนแทนดวย +)

EN นอย EN มาก

(2.1) (4.0)

สภาพขวของโมเลกล

37

1) โมเลกลไมมขว (non-polar molecule) คอผลรวมของไดโพลโมเมนต () เทากบ 0 เกดจากพนธะทไมมขว เชน H2, Cl2, N2, O2 เกดจากพนธะทมขว เชน CO2, SO3, CCl4, CH4

2) โมเลกลมขว (polar) คอผลรวมของไดโพลโมเมนตไมเทากบ 0 ประกอบดวยพนธะทมขวและเปนโมเลกลมขว เชน NH3, H2O, CH3Cl, SO2

OO C

HH

O....

= 0

= 1.87

โมเลกลไมมขว โมเลกลทมขว

BF3 CH4

38

ความยาวพนธะ

39

“ระยะทางระหวางนวเคลยสของอะตอมสองอะตอมขณะเขาใกลกนไดมากทสดดวยแรงยดเหนยว”

ความยาวพนธะเฉลย

40

มมพนธะ กลมหมอกอเลกตรอนพยายามอยหางกนมากทสดเพอใหมแรงผลกระหวาง

กนนอยทสด โมเลกลจะมความเสถยรสง โมเลกลลดแรงผลกระหวางกลมหมอกอเลกตรอนของแตละพนธะไดโดย

การเบนมมพนธะออกหางกนใหมากทสด มมพนธะ บอกถงรปรางโมเลกล

41

รปรางโมเลกล แบบจ าลองการผลกกนของคอเลกตรอนในวงเวเลนซ (Valence

Shell Electron Pair Repulsion) หรอเรยกสนๆวา “แบบจ าลอง VSEPR”

1) โมเลกลทไมมอเลกตรอนคโดดเดยว AXm 2) โมเลกลทมอเลกตรอนคโดดเดยว AXmEn

42

A เปนอะตอมกลาง X เปนลอมรอบ m คอจ านวนอะตอม X E แทนอเลกตรอนคโดดเดยว n คอจ านวนอเลกตรอนคโดดเดยว

43

พนธะโลหะ แรงดงดดระหวางไอออนบวกทเรยงชดกนกบอเลกตรอนทอยโดยรอบเปนแรงยดเหนยวทอะตอมโลหะใชเวเลนซอเลกตรอนทงหมดรวมกน

พนธะโลหะเกดไดเพราะโลหะมคา IE ต า จงเสยเวเลนซอเลกตรอนไดงาย ซงกลายเปนไอออนบวก ไอออนบวกจงเกดแรงยดเหนยวกบเวเลนซอเลกตรอนทงหมด

44

ทฤษฎแบบจ าลองทะเลอเลกตรอน อเลกตรอนเคลอนทไปมารอบๆ อะตอมของโลหะไดเสมอนวาอเลกตรอนเปนของอะตอมทกตว อเลกตรอนเหลานท าหนาทคลายซเมนตทชวยยดไอออนของโลหะใหอยในต าแหนงทคงท

45

กลมหมอกอเลกตรอนปกคลมกอนโลหะ เสมอนไอออนบวกของโลหะฝงอยในกลมหมอกอเลกตรอน จงเกดแรงดงดดทแนนหนาทวไปทกต าแหนงภายในกอนโลหะ

ทฤษฎแถบพลงงาน

โลหะมจ านวนอะตอมมากมาย ออรบทลเชงอะตอมของแตละอะตอมรวมกนเปนออรบทลเชงโมเลกลทมจ านวนเทาเดม

ระดบพลงงานของออรบทลเชงโมเลกลอยใกลกนมากจงเกดการเชอมตอเนองขนเปนแถบ

46

แถบ 2s เรยกวา แถบเวเลนซ (valence band) แถบ 2p เรยกวาแถบการน า (conduction band) ชองวางระหวางแถบเวเลนซกบแถบการน าวา บรเวณตองหาม (forbidden zone)

47

กจกรรม

ท ากจกรรม 4.1 ตอนท 1 ท ากจกรรม 4.1 ตอนท 2 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน ท าแบบฝกหด

48

49

แผนการสอนและการเรยนร

จดประสงคการเรยนร อธบายแรงแวนเดอรวาลส อธบายแรงดงดดระหวางขว อธบายพนธะไฮโดรเจน

บทเรยน 4.2 แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบยอยรายหนวย

เอกสารประกอบการสอน

หนงสอ โครงการต าราวทยาศาสตรและคณตศาสตร มลนธ สอวน. 2547. เคม (เคมค านวณ อะตอม ตารางธาต พนธะเคม), กรงเทพฯ: บรษทดานสทธาการพมพ จ ากด.

อนทรา หาญพงษพนธ และ บญชา พลโภคา. 2545. เคมทวไป ส าหรบนสตวศวกรรมศาสตร. กรงเทพฯ: ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.

อภสฏฐ ศงสะเสน, สรณนรนทร บงเกดผล และอาทตย สกลตนตเมธา. 2554. เคมทวไปส าหรบวศวกร. กรงเทพฯ: บรษท ทรฟเพล กรป จ ากด.

Brown L.S. and Holme H.E., 2006. Chemistry for Engineering Students, 2nd ed., Canada. Chang R. and Goldsby K.A., 2013. Chemistry, 7th ed., New York: McGraw-Hill. Silberberg M.S. 2013. Principle of General Chemistry, New York: McGraw-Hill.

50

เอกสารประกอบการสอน หนวยท 4 http://www.slideshare.net/woravith/rmutp-chemical-bonds

เวบไซตแนะน า http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry1/chemical_bonding/chemical_bonding_home.htm

แรงแวนเดอรวาลส

51

แรงดงดดระหวางโมเลกลออนๆ โดยเกดจากแรงดงดดระหวางขว อนเนองมาจากประจไฟฟาทมขนาดเลกๆ

แรงแวนเดอรวาลสมคาพลงงานนอยมาก แรงแวนเดอรวาลส

แรงไดโพล-ไดโพล แรง dipole induced dipole แรงลอนดอน

แรงไดโพล-ไดโพล

แรงยดเหนยวทเกดจากการกระท าระหวางโมเลกลทมขวสองโมเลกลขนไป

โมเลกลทมไดโพลโมเมนตแบบถาวรจะเอาดานทมประจตรงขามหนเขาหากนตามแรงดงดดทางประจไฟฟา

โมเลกลโคเวเลนซทมขว (แตไมเกดพนธะไฮโดรเจน) ขวทตางกนจะเกดแรงดงดดกนไดอยางออนๆ เชน HCl, H2S, CO

52

แรงไดโพล-ไดโพล

แรง dipole-induced dipole

แรงยดเหนยวทเกดจากโมเลกลทมขวเหนยวน าใหโมเลกลทไมมขว เกดมขวขนชวคราว

53

แรง dipole-induced dipole ระหวาง H2O กบ O2

โมเลกลมขว โมเลกลไมมขว

แรงลอนดอน เปนแรงดงดดระหวางโมเลกลทไมมขวดวยกน อเลกตรอนมากระจกตวกนอยบรเวณเดยวกน ท าใหเกดประจลบชวคราวบางสวน (มคาประจนอยมาก -)

บรเวณทไมมอเลกตรอนอยเกดประจบวกชวคราวบางสวน (มคาประจนอยมาก +)

ประจไฟฟาชวคราวทเกดขนเหนยวน าใหโมเลกลขางเคยงเกดแรงยดเหนยว

54

พนธะไฮโดรเจน แรงดงดดทเกดจากระหวางโมเลกลทม H เปนองคประกอบสองโมเลกล อะตอมของ H สามารถสรางพนธะโคเวเลนซกบอะตอมของธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวต (EN) สงๆ

55

โมเลกล H2O

EN = 2.1 EN = 3.5

56

โมเลกลโคเวเลนซทเกดพนธะไฮโดรเจนไดจะมจดเดอดสงกวาทโมเลกลทไมเกดพนธะโคเวเลนซ

โมเลกลของ H2O เกดพนธะไฮโดรเจนได สวน H2S H2Se และ H2Te ไมเกดพนธะไฮโดรเจน

กจกรรม

ท ากจกรรม 4.2 ตอนท 1 ท ากจกรรม 4.2 ตอนท 2 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน ท าแบบฝกหด

57