chap 5 chemical bonding
TRANSCRIPT
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