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

10

Cl ClCl2 Cl-Cl

O C OCO2 O=C=O

N NN2 N N≡

H ClHCl H-Cl

H HH2 H-H

Lewis dot structure

11

ความสมพนธระหวางชนดของพนธะกบพลงงานพนธะและความยาว

พนธะ

พลงงานพนธะ กบ ชนดของพนธะ

พลงงานพนธะ = พนธะสาม > พนธะค > พนธะเดยว

ความยาวพนธะ กบ ชนดของพนธะ

ความยาวพนธะ = พนธะเดยว > พนธะค > พนธะสาม

สารประกอบทไมเปนไปตามกฎออกเตต เชน

B

F

FFP

Cl

Cl

ClCl

Cl

S

FF

FF

F

F

12

อะตอมกลางมอเลกตรอนลอมรอบกตว ?

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

19

พลงงานทใชในการสลายพนธะ (bond dissociation energy, D) มคา (+) เปนดด E

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

22

BF3 ทาปฏกรยากบ NH3 เกดเปน NH3BF3

(boron compound ทเสถยร เปนไปตาม octet rule)

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 = ??

29

C atomic

orbitalsCO atomic orbitals O atomic

orbitals

The MO diagrams for CO and NO

30

แผนภาพแสดงระดบพลงงานโมเลกลารออรบทลของโมเลกล NO-

การจดอเลกตรอน(electron configuration)

อนดบพนธะ = ??

31

Higher Energy levels

Lower Energy levels

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

34

Cr3+ 6Cl-[CrCl6]3-

MO correlation diagram for σ-bonding in the octahedral complex [CrCl6]3-

Valence bond theoryσ-bond

35

36

Valence bond theoryπ-bond

37

38

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

Hybridization of atomic orbitals theory

sp3 hybridization

40

sp2 hybridization

sp hybridization

41

hydridization

sp2 hybridization ตวอยาง BF3

43

sp3 hybridization

hydridization

ตวอยาง CH4

Tetrahedral

44

sp3d2 hybridization

Octahedral structure

45

sp3d hybridization

Trigonal bipyramidal

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

2. พนธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)

* เปนพนธะทเกดจากแรงดงดดระหวางโมเลกลทมความแรงมากกวา

แรงแวนเดอรวาลส

* เกดจากแรงดงดดระหวางไฮโดรเจนทเกดพนธะกบอะตอมทมอเลก

โตรเนกาตวต(EN)สง เชน O , N , F (กบอเลกตรอนคโดดเดยว)

* พนธะไฮโดรเจนมกแทนดวยเสนประ ( )

พนธะไฮโดรเจนHydrogen Bond

53