general chemistry พันธะเคมี ·...
TRANSCRIPT
พนธะเคม(Chemical Bonding)
สาขาวชาเคม คณะศลปศาสตรและวทยาศาสตรมหาวทยาลยเกษตรศาสตร วทยาเขตกาแพงแสน
General Chemistry
2
เนอหาหลกในบทเรยน
พนธะเคมชนดตาง ๆ ปรมาณทเกยวของกบพนธะและโครงสราง
• พลงงานของพนธะเคมและความรอนของการเกดปฏกรยา• ความยาวพนธะมมพนธะ• สภาพขวของพนธะ
ทฤษฎทใชอธบายพนธะโควาเลนต• โครงสรางของลวอส (Lewis Structure)และทฤษฎ VSEPR• ทฤษฎโมเลกลารออรบทล (Molecular Orbtial Theory; MO)• ทฤษฎพนธะวาเลนซ (Valence Bond Theory; VB)
ทฤษฎทใชในการอธบายพนธะโลหะ แรงระหวางพนธะ
3
พนธะเคม (Chemical Bonding)
พนธะเคม คอแรงดงดดทยดอะตอมเขาดวยกนเปนโมเลกล(An attractive force that holds atoms together to form molecules)
• การสรางพนธะเปนกระบวนการคายพลงงาน (ทาใหอะตอมมความเสถยรเพมขน)
• การทาลายพนธะเปนกระบวนการดดพลงงาน
พนธะเคมแบงออกเปนประเภทหลก ๆ ดงน 1. พนธะไอออนก (Ionic Bond)2. พนธะโควาเลนต (Covalent Bond)3. พนธะโลหะ (Metallic Bond)
4
1. พนธะไอออนก (Ionic bond)
พนธะไอออนก คอแรงยดเหนยวระหวางไอออนบวกและไอออนลบ เปนพนธะทเกดขนระหวางธาตทมคา EN ตางกนมาก เปนผลจากแรงดงดดทางไฟฟา (coulombic attraction)• อะตอม EN ตา: ใหอเลกตรอน → ไอออนบวก (โลหะ)• อะตอม EN สง: รบอเลกตรอน → ไอออนลบ (อโลหะ)
M+ (g) + X− (g) → MX(s) + lattice energy
5
2. พนธะโควาเลนต (Covalent Bond)
พนธะโควาเลนต คอแรงยดเหนยวระหวางธาตทมคา EN ใกลเคยงกน (และ EN มคามาก) อะตอมทเกดพนธะจะใชวาเลนซอเลกตรอนรวมกนในการเกดพนธะทาใหเสถยรขน• อะตอม EN สง: ไมมอะตอมใดยอมเสยอเลกตรอน
+-
-
+-
--
-
-
-
-
-
Shared electrons
6
3. พนธะโลหะ (Metallic Bond)
พนธะโลหะ คอแรงทยดอะตอมโลหะไวดวยกนในผลก (ระหวางอะตอมทมคา EN ตา)• วาเลนซอเลกตรอนของโลหะเคลอนทไปในทตาง ๆ ไดอยางอสระ • อเลกตรอนอสระทาหนาทดงดดนวเคลยสของอะตอมตาง ๆเขา
ดวยกน
+- -
+- -
+-
-+- -
+- -+-
-
+--
+- -
+- -+- -
+-
-+--
+- -+-
-
+-
-+-
-+ --
+- -
-
- -
-
-
--
--
--
--
--
--
-
-
-
-
-
--
-
-
-
-- -
-
-
Sea of electrons
เวเลนซอเลกตรอนมาก พนธะแขงแรงมาก
อเลกตรอนอสระ (วาเลนซอเลกตรอน)
7
พลงงานพนธะ (Bond Energy)
พลงงานพนธะ หรอ พลงงานสลายพนธะ (Bond dissociation energy, D) คอ พลงงานทตองใชในการสลายพนธะเคมแตละพนธะในโมเลกล (มคาเปนบวก) เชน
H2(g) →2H(g) D(H—H) = 436 kJ/mol พนธะเคมชนดเดยวกนในโมเลกลทตางกนอาจมคาพลงงาน
สลายพนธะตางกน เชน C-H• CH4(g) → CH3(g) + H(g) D(H-C)CH4
= 436 kJ/mol• CH3(g) → CH2(g) + H(g) D(H-C)CH3
= 368 kJ/mol• CH2(g) → CH(g) + H(g) D(H-C)CH2
= 519 kJ/mol• CH(g) → C(g) + H(g) D(H-C)CH = 335 kJ/mol
8
พลงงานพนธะเฉลย (Average Bond Energy)
พลงงานพนธะเฉลย เปนคาเฉลยของพลงงานสลายพนธะสาหรบพนธะแตละชนดในโมเลกลตาง ๆ (เปนคาโดยประมาณ)
9
การเกดปฏกรยาเคม คอกระบวนการทมการทาลายพนธะเดม(สารตงตน)และสรางพนธะใหม(สารผลตภณฑ)
ความรอนของปฏกรยา (∆Hrxn)คอพลงงานเอนทาลปของระบบทเปลยนแปลงไปในรปความรอนเมอเกดปฏกรยา สามารถหาไดจาก
• ∆Hrxn เปนลบ ปฏกรยาคายพลงงาน• ∆Hrxn เปนบวก ตองใชพลงงานเพอใหเกดปฏกรยา (ดดพลงงาน)
ความรอนของปฏกรยา (Heat of Reaction)
∑∑ −=∆productsreactants
DDHrxn
พลงงานพนธะรวมของผลตภณฑ
พลงงานพนธะรวมของสารตงตน
10
การคานวณหาคาความรอนของปฏกรยา
ตวอยาง จงหาพลงงานทเปลยนแปลงของปฏกรยาตอไปน CH4(g) + Cl2(g) → CH3Cl (g) + HCl(g)
• (พลงงานพนธะสารตงตน) = 4D(C-H) + D(Cl-Cl)
• (พลงงานพนธะผลตภณฑ ) = D(C-Cl) + 3D(C-H) + D(Cl-H)
∆Hrxn = 4D(C-H) + D(Cl-Cl) – [D(C-Cl) + 3D(C-H) + D(Cl-H)]= (4×414 + 243) – (339 + 3×414 + 431) kJ/mol = –104 kJ/molปฏกรยานจะคายความรอนออกมา 104 kJ/mol
∑products
D
∑reactants
D
11
ความยาวพนธะ (Bond Length)
ความยาวพนธะ คอระยะหางระหวางอะตอมคทสรางพนธะ โดยเปนตาแหนงทอะตอมทงสองดงดดกนไดดทสด มพลงงานตาสดหรอมเสถยรภาพทสด
ความยาวของพนธะโควาเลนตสมพนธกบพลงงานพนธะ • ความยาวพนธะเดยว > พนธะค > พนธะสาม• พลงงานพนธะเดยว < พนธะค < พนธะสาม
Bond Bond Length Energy
12
ความยาวพนธะเฉลยของโมเลกลตางๆ
13
มมพนธะ คอมมทเกดขน เมอลากเสนผานพนธะ 2 พนธะมาตดทนวเคลยสของอะตอมกลาง
โมเลกลทมสตรเคมคลายกน มมพนธะอาจไมเทากน • H2O = 104.5° • H2S = 92°
การทานายโครงสรางของโมเลกลเชน มมพนธะ จาเปนตองอาศยขอมลเกยวกบอเลกตรอนในโมเลกล
มมพนธะ
106.0°
104.0°
14
สภาพขวของพนธะ (Bond Polarity)
สภาพขวของพนธะ คอการอธบายการกระจายตวของอเลกตรอนทใชในการสรางพนธะระหวางอะตอม
สภาพขวของพนธะโควาเลนตขนอยกบ คา EN ของอะตอมทงสอง ถาคา EN ของอะตอมทงสองตางกน การกระจายตวของอเลกตรอนในบรเวณระหวางอะตอมทงสองจะไมสมาเสมอ ซงจะเรยกวาพนธะโควาเลนตแบบมขว
Xδ+−Yδ- เมอ EN ของ Y > X
δ+ δ-
H F+ H F
15
ทฤษฎทใชอธบายพนธะโควาเลนต
1. แบบจาลองของลวอส (Lewis Structure)
2. ทฤษฎโมเลกลารออรบทล (Molecular Orbital, MO)
3. ทฤษฎพนธะวาเลนซ (Valence Bond, VB)
16
กฎออกเตท (Octet Rule)
กฎออกเตท อะตอมทมวาเลนซอเลกตรอนครบแปด* (มการจดเรยงอเลกตรอนเหมอนแกสเฉอยในหม 8A)จะมความเสถยรมาก โดยไมสาคญวาอเลกตรอนดงกลาวจะเปนของอะตอมเองหรอไดมากจากการใชอเลกตรอนรวมกบอะตอมอน(พนธะโควาเลนต)• ใชไดดกบธาตใน s และ p block • ใชไดดกบสารประกอบอนทรย• มขอยกเวนมาก โดยเฉพาะกบอะตอม Be B และ Al
Noble Gas (8A) valence e− < 8 valence e− = 8
* ตามกฎออกเตท H และ He จะมวาเลนซอเลกตรอนครบสอง
17
1. แบบจาลองของลวอส (Lewis structure)
G.N. Lewis เสนอวา การสรางพนธะโควาเลนตระหวางอะตอมในโมเลกลจะเปนไปตาม กฎออกเตต (Octet rule) คอ “อะตอมใด ๆ มแนวโนมทจะสรางพนธะเพอใหตวมนมวาเลนซอเลกตรอนครบแปด” เพอทจะมการจดเรยงอเลกตรอนเหมอนแกสเฉอยในหม 8A)ซงทาใหทงโมเลกลมความเสถยรมากทสด• สนใจเฉพาะวาเลนซอเลกตรอนของแตละอะตอม
• ใชไดดกบธาตใน s และ p block
Carbon Hydrogen CH4
18
โครงสรางแบบจดอเลกตรอน
การเขยนโครงสรางลวอสหรอโครงสรางแบบจดอเลกตรอน(Lewis’s dot structure) เปนวธการเขยนเพอแสดงวาเลนซอเลกตรอนและการสรางพนธะโควาเลนตระหวางอะตอมในโมเลกล
โครงสรางลวอสของอะตอม• ใชจดแทนวาเลนซอเลกตรอน
19
โครงสรางลวอสของโมเลกล
โครงสรางลวอสของโมเลกล• พนธะโควาเลนตคอการใชอเลกตรอนรวมกนของสองอะตอม• หนงพนธะประกอบดวยสองอเลกตรอน (2 shared electrons)• แตละพนธะแทนดวยจด 2 จด (:) หรอ หนงเสน (−)
♦ อเลกตรอนทใชในการสรางพนธะ เรยกวา bonding electron♦ อเลกตรอนทไมเกยวของกบการสรางพนธะเรยกวา non-bonding electron
HH C H
H
HH−C−H
H
N N N≡N
20
การเขยนโครงสรางลวอส
1. กาหนดอะตอมกลาง(ตองการ valence electron หลายตว) และการจดเรยงอะตอมในโมเลกล
2. นบจานวนเวเลนซอเลกตรอนของทกอะตอมในโมเลกล• ไอออนลบ: เพมจานวนอเลกตรอนเทากบจานวนประจลบของไอออน• ไอออนบวก: ลบจานวนอเลกตรอนเทากบจานวนประจบวกของไอออน
3. เชอมอะตอมดวยพนธะเดยว(ระหวางอะตอมกลางกบอะตอมปลาย) โดยใช 2 อเลกตรอนในการสรางพนธะเดยวแตละพนธะ
4. เตมวาเลนซอเลกตรอนใหกบอะตอมปลายใหครบ8 (ยกเวน H เทากบ 2)
5. เตมอเลกตรอนทเหลอใหกบอะตอมกลาง (อาจมากกวา 8)6. ถาจานวนวาเลนซอเลกตรอนทอะตอมกลางไมครบ 8 ใหนา
อเลกตรอนทไมรวมพนธะ (unshared pair electron) ของอะตอมรอบๆ มาสรางพนธะคหรอพนธะสาม
7. จานวนวาเลนซอเลกตรอนรวมตองเทากบทไดจากขอ 1.
21
1. อะตอมกลางคอ N2. จานวนเวเลนซอเลกตรอน = 5 + (7x3) = 26 อเลกตรอน
(จานวนเวเลนซอเลกตรอนของ N = 5 F = 7) 3. เขยนพนธะเดยวระหวางอะตอมกลางกบอะตอมปลาย
4. เขยนอเลกตรอนของอะตอมปลายใหครบ 8
5. เตมอเลกตรอนทเหลอใหกบอะตอมกลาง (26-24 = 2 อเลกตรอน)
ตวอยาง โครงสรางลวอสของ NF3
F N F F
F N F
F
F N F
Fหรอ
F N F F
F N F
F
F N F
Fหรอ หรอ
22
1. อะตอมกลางคอ C
2. จานวนเวเลนซอเลกตรอนของ HCN 1 + 4 + 5 =10 อเลกตรอน
3. เขยนพนธะเดยวระหวางอะตอมกลางกบอะตอมทมพนธะ
4. เขยนอเลกตรอนของอะตอมปลาย ใหครบ 8 (หรอ 2)
5. เตมอเลกตรอนทเหลอใหกบอะตอมกลาง (10-10 = 0)ยงไมเปนไปตามกฎออกเตท
6. นาอเลกตรอนทไมรวมพนธะของอะตอมรอบๆ (N) มาสรางพนธะคหรอพนธะสาม จนอะตอมกลางมอเลกตรอนครบแปด
ตวอยาง โครงสรางลวอสของ HCN
H C N
H C N
H C NH C N H−C≡N
23
1. โมเลกลทมอเลกตรอนเปนเลขค เชน •ClO2 มอเลกตรอนรวม เทากบ 19•NO มอเลกตรอนรวม เทากบ 11•NO2 มอเลกตรอนรวม เทากบ 17
2. โมเลกลทอะตอมกลางมอเลกตรอนนอยกวา 8 •BF3 B มอเลกตรอนเทากบ 6•BeH2 Be มอเลกตรอนเทากบ 6
3. โมเลกลทอะตอมกลางมอเลกตรอนมากกวา 8 •PCl5 มอเลกตรอน เทากบ 10•XeF4 มอเลกตรอน เทากบ 12•SF4 มอเลกตรอน เทากบ 10
ขอยกเวนของกฎออกเตต
FF S F
F
24
ประจฟอรมาล เปนความแตกตางระหวางจานวนเวเลนซอเลกตรอนของ
อะตอมเดยวกบของอะตอมในโครงสรางลวอส เปนการทานายการสภาพ
ขวของโมเลกลอยางคราว ๆ การคานวณประจฟอรมาลของอะตอม
• V เวเลนซอเลกตรอนของอะตอมเดยว• N เวเลนซอเลกตรอนทไมไดสรางพนธะ• B เวเลนซอเลกตรอนทงหมดทสรางพนธะรอบอะตอมนน
eee BNV 21charge formal −−=
ประจฟอรมาล (Formal charge)
25
ตวอยาง จงหาประจฟอรมาลของแตละอะตอม
[IO3]–
• I = 7 – 2 – ½ (6) = +2• O = 6 – 6 – ½ (2) = -1
ประจรวม = +2 – 1 – 1 – 1 = -1
[NH3CH2COO]–
O−I−OO
O−I−OO
+2−1 −1
−1
H H O
H−N−C−CH H O
+-
วธลด ดจานวนพนธะเปรยบเทยบกบ
จานวนพนธะทควรจะมของแตละอะตอม
เชน N มวาเลนซ 5 ควรมพนธะ 3 พนธะ
ถามเกนจะเปนบวก ถามไมครบจะเปนลบ
26
เรโซแนนซ (Resonance)
ในบางโมเลกลหรอไอออน สามารถเขยนแบบจาลองของลวอสไดมากกวา 1 แบบ เชน CO2 และ SO2
เรยกปรากฏการณนวา ปรากฏการณเรโซแนนซ โดยตองมการจดเรยงลาดบของอะตอมเหมอนกนเสมอ ตางกนแตเพยงการกระจายอเลกตรอนในพนธะ
O≡C−O O = C = O O − C ≡ O-1 +1-1+1
SO O
SO O
+1
-1
+1
-1
27
เรโซแนนซ (Resonance)
โครงสรางลวอสของ O3
จากการทดลองพบวา ความยาวพนธะระหวาง O ทงสองเทากนแสดงวาโมเลกล O3 ไมเกดพนธะทง 2 แบบ แตเกดโครงสรางทเรยกวา โครงสรางเรโซแนนซ (Resonance structure)
OO O
+1
-1
OO O
+1
-1
OO O
1.278 Å1.278 Å
28
หลกในการพจารณาวาโครงสรางใดเปนโครงสรางทเปนไปได มากทสด มหลกการดงน
1. เปนไปตามกฎออกเตตมากทสด2. โครงสรางทมประจฟอรมาลตาทสด3. อะตอมทมคา EN สงควรมประจฟอรมาลเปนลบ4. อะตอมชนดเดยวกนไมควรมประจฟอรมาลตรงขามกน
โครงสราง Lewis ทเปนไปได
N N N N N N N N N-2 +1 0 -1 +1 -1 0 +1 -2
N3−
+1 0 -1 0 0 0 -1 0 +1 CO2 O≡C−O O = C = O O − C ≡ O
29
ทฤษฎการผลกกลมอเลกตรอนในวงเวเลนซ
Valence Shell Electron Pair Repulsion(VSEPR) คอทฤษฎทใชทานายรปรางของโมเลกลหรอไอออนทยดกนดวยพนธะโควาเลนซ โดยโครงสรางของโมเลกลจะขนอยกบจานวนกลมอเลกตรอนทใชสรางพนธะและอเลกตรอนโดดเดยว
• พจารณาเฉพาะวาเลนซอเลกตรอนเทานน• แบงอเลกตรอนออกเปนกลมตาง ๆ (คอเลกตรอน; electron pair)
♦ อเลกตรอนสรางพนธะ (2, 4, 6 อเลกตรอน ตามชนดของพนธะ คอ พนธะเดยว, ค, สาม )
♦ อเลกตรอนคโดดเดยว (2 อเลกตรอน)♦ อเลกตรอนโดดเดยว (1 อเลกตรอน)
• กลมอเลกตรอนจะจดตวรอบอะตอมกลาง ใหหางกนมากทสด เพอใหผลกกนนอยทสด และเกดความเสถยรมากทสด
ไมจาเปนตองม 2 อเลกตรอน
30
การผลกกนของกลมอเลกตรอน
พนธะแตละพนธะ (พนธะเดยว พนธะค หรอ พนธะสาม) นบเปนอเลกตรอนสรางพนธะกลมเดยว ดงนนแตละกลมอาจมจานวนอเลกตรอนแตกตางกนการผลกกนกนของกลมอเลกตรอนขนกบขนาดของกลม
อเลกตรอน (ถากลมอเลกตรอนมขนาดใหญ จะตองการทอยมากจงสามารถผลกกลมอเลกตรอนอนออกไปไดด)ขนาดของกลมอเลกตรอน
คโดดเดยว>พนธะสาม>พนธะค>พนธะเดยว>อเลกตรอนเดยวขนาดของกลมอเลกตรอนสรางพนธะจะลดลงถา EN ของอะตอม
ปลายเพมขน (การผลกจะลดลง)
31
การจดตาแหนงของกลมอเลกตรอน(m+n)
กลมอเลกตรอนอาจเปนอเลกตรอนสรางพนธะหรอไมสรางพนธะกได
180°
120°
109.5°
90,120°
90°
32
การทานายรปรางโมเลกลโดย VSEPR
1. เขยนสตรโครงสรางลวอส2. เขยนสตร AXmEn
• A แทนอะตอมกลาง• X แทนพนธะรอบอะตอมกลาง
โดย m คอ จานวนกลมอเลกตรอนทสรางพนธะ• E แทนกลมอเลกตรอนรอบอะตอมกลางทไมไดสรางพนธะ
โดย n คอ จานวนกลมอเลกตรอนทไมไดสรางพนธะ3. ทานายการจดเรยงตาแหนงของกลมอเลกตรอน (m+n)4. พจารณาตาแหนงของคอเลกตรอนโดดเดยว (ตองการพนทมาก
ทสด) หรอ อเลกตรอนโดดเดยว (ตองการพนทนอยทสด)5. ทานายรปรางโมเลกลโดยดจากการจดตาแหนงของพนธะ
33
รปรางของโมเลกล
2 กลมอเลกตรอน (n+m=2)• AX2
3 กลมอเลกตรอน (n+m=3)
• AX3
• AX2E
เสนตรง
สามเหลยมแบนราบ
มมงอ (<120°)
34
4 กลมอเลกตรอน (n+m=4)
• AX4
• AX3E
• AX2E2 มมงอ (<109.5°)
ทรงสหนา
พระมดฐานสามเหลยม
รปรางของโมเลกล
35
รปรางของโมเลกล
5 กลมอเลกตรอน (n+m=5)
• AX5
• AX4E
• AX3E2
• AX2E3
พระมดคฐานสามเหลยม
กระดานหก
ตวท
เสนตรง
36
รปรางของโมเลกล
6 กลมอเลกตรอน (n+m=6)
• AX6
• AX5E
• AX4E2
ทรงแปดหนา
พระมดฐานสเหลยม
สเหลยมแบนราบ
37
CH4
NH3
H
H C H
H
AX4E0
H
H N H AX3E1
E
สตรลวอส สตร AXmEn ตาแหนงกลม รปรางโมเลกล อเลกตรอน
ตวอยางการทานายรปรางโมเลกล
42
สภาพขวของโมเลกลคอสภาพขวสทธ(net dipole)ของพนธะทกพนธะในโมเลกล
สภาพขวของโมเลกลหาไดโดยการรวมสภาพขวของพนธะทกพนธะแบบเวคเตอร
สภาพขวของโมเลกล (Polarity of Molecule)
43
ตวอยางสภาพขวของโมเลกล
BCl3
NH3
CHCl3
SF5
HCN
44
2. ทฤษฎโมเลกลารออรบทอล (MO Theory)
ทฤษฎโมเลกลารออรบทล (Molecular Orbital Theory) อธบายการเกดพนธะโควาเลนตโดยใชออรบทลของโมเลกล
ออรบทลของโมเลกล (MO) คอทอยของอเลกตรอนในโมเลกลเกดจากการรวมออรบทลของอะตอม (AO) ตามวธผลรวมเชงเสนตรง (Linear Combination of Atomic Orbital, LCAO)
จานวน MO ทเกดขนเทากบจานวน AO ทงหมด
อะตอมAO
อะตอมAO
โมเลกลMO+
45
การสรางโมเลกลารออรบทล
ออรบทลของโมเลกลเกดจากการซอนเหลอม (overlap) ของ AO แบบเสรม (Bonding): เปนการรวม AO ดานทมเครองหมาย(ส)เหมอนกน
ขนาดออรบทลในแนวเชอมอะตอมเพมขน เสถยรมากขน
แบบทาลาย (Antibonding): เปนการรวม AO ดานทมเครองหมาย(ส)ตางกน ขนาดออรบทลในแนวเชอมอะตอมลดลง เสถยรนอยลง (พลงงานเพม)
1sA 1sB
bonding
antibonding
Ener
gy
แผนผงระดบพลงงานของโมเลกลารออรบทล(Molecular Orbital Diagram) คอแผนผงทแสดงระดบพลงงานของ MO เทยบกบ AO
1sA + 1sB Bonding
1sA − 1sB Antibonding
48
ชนดของโมเลกลารออรบทล
ชนดของ MO ขนกบรปแบบการรวมตวของ AO sigma bond (σ,σ*): การซอนเหลอมกนแบบ 1-lobe ของ Aos
(head-on overlap)
pi-bond (π,π*): การซอนเหลอมกนแบบ 2-lobe ของ AOs (side-on overlap)
delta-bond (δ,δ*): การซอนเหลอมกนแบบ 4-lobe ของ AOs
σ antibonding
π bonding π antibonding π bonding
δ bonding
σ bonding
52
พลงงานและการซอนเหลอมของ AO’s
Pi bonding Sigma bonding
px+px
s+s py+py
ชนดของออรบทล
ขนกบทศทางการซอน
เหลอมกนของ AOx
y
z
53
Molecular Orbital Diagram
E-configuration: (σ2s)2(σ2s*)
2 (σ2px)2 (π2p)
4(π 2p*)4(σ2px*)
2
E n
e r
g y
54
การบรรจอเลกตรอนใน MOs
1. สนใจเฉพาะเวเลนซอเลกตรอน
2. แตละ MO มอเลกตรอนไดไมเกน 2 ตวและตองมสปนตางกน
3. จดอเลกตรอนใสใน MO ทมพลงงานตาทสดกอน
4. ถา MO มพลงงานเทากนใหจดตามกฎของฮนด
5. จานวนอเลกตรอนใน MO เทากบผลรวมจานวนอเลกตรอนทมาจากอะตอมทสรางพนธะ
6. การเขยนโครงแบบอเลกตรอนทาเชนเดยวกบของอะตอมแตเปลยนชนดของออรบทลเปนแบบ σ, π, δ, σ*, π*, δ*
55
การบรรจอเลกตรอนใน MOs
H2 molecule He2 molecule
Antibonding
Bonding
H1s H1s
Antibonding
Bonding
He1s He1s
H2 = (σ1s)2 He2 = (σ1s)
2(σ1s*)2
Bond energy = 431 kJ/mol (จาก 2 อเลกตรอน)
56
อนดบพนธะ(Bond order)
อนดบพนธะคอการทานายความแขงแรงของพนธะโควาเลนต หรอความเสถยรของโมเลกลโดยดจากจานวนอเลกตรอนในBMO และ AMO• อนดบพนธะ = ½(อเลกตรอนใน BMO – อเลกตรอนใน AMO)• โมเลกลทมอนดบพนธะสงจะมความเสถยรมาก
ตวอยาง
H2 H2+ H2
–
อนดบพนธะ : 1 0.5 0.5
57
MO Diagram of Li2 & Be2
Li2 (2 x 3 electrons)• Li = 1s2 2s1
• Bond order = 1
Be2 (2 x 4 electrons)• Be = 1s2 2s2
• Bond order = 0 (no bond)
MO of Li2 MO of Be2
E n
e r
g y
(σ1s)2(σ1s*)
2 (σ2s)2 (σ1s)
2(σ1s*)2 (σ2s)
2 (σ2s*)2
58
MO Diagram of N2 & O2
O2 (คดเฉพาะ valence electrons)
• O = 1s2 2s2 2p4
• อนดบพนธะ = 2• มลาดบของ MO แบบปกต
E n
e r
g y
MO of N2 MO of O2 (σ2s)2(σ2s*)
2(σ2px)2(π2p)
4(π2p*)2
N2 (คดเฉพาะ valence electrons)• N = 1s2 2s2 2p3
• อนดบพนธะ = 1• มการสลบทของออรบทลσpและ πp • เปนขอยกเวน ม MO คลาย B2 และ C2
(σ2s)2(σ2s*)
2 (π2p)4(σ2px)
2
59
สมบตทางแมเหลกของโมเลกล
สารไดอะแมกเนตก(Diamagnetic)สารทมจานวนอเลกตรอนสปนขนและสปนลงเทากนสนามแมเหลก ทกระทาตอโมเลกลเปนศนย
สารพาราแมกเนตก(Paramagnetic) สารทมอเลกตรอนเดยว ทาใหมแรงดงดดกบสนามแมเหลกทกระทา
ออกซเจนเหลวผานขวแมเหลก
60
ทฤษฎพนธะวาเลนซ (VB) คอทฤษฎทใชอธบายการเกดพนธะโควาเลนตในอะตอมโดยพจารณาวาการซอนเหลอมระหวาง AO ของอะตอมแตละคกอใหเกดพนธะโควาเลนต และบรเวณทมพนธะเคมคอบรเวณทมอเลกตรอนหนาแนน• AO ทมอเลกตรอนเดยวเทานนทสามารถสรางพนธะโควาเลนต• เขาใจงายกวาทฤษฎ MO และสามารถอธบาย organic molecule
ไดดขนกวาทฤษฎโครงสรางของลวอส การซอนเหลอมของ AO เปนแบบสรางพนธะ (Bonding)
เทานน (พนธะแบบ σ,π,δ) ไมใชออรบทลทมอเลกตรอนเตมแลว (มครบ 2 อเลกตรอน)ใน
การสรางพนธะ
3. ทฤษฎพนธะวาเลนซ (Valence Bond Theory)
61
การเกดพนธะในทฤษฎ VB
การเกดพนธะเนองจากออรบทลทมอเลกตรอนเดยว พจารณาการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม
• H = − − − − − มอเลกตรอนเดยว 1 AO จะเกด 1 พนธะ
• N = − − − − − มอเลกตรอนเดยว 3 AO จะเกด 3 พนธะ
• F = − − − − − มอเลกตรอนเดยว 1 AO จะเกด 1 พนธะ
• C = − − − − − มอเลกตรอนเดยว 2 AO จะเกดแค 2 พนธะ?
พนธะโควาเลนตจากการซอนเหลอมของ AO ทมอเลกตรอนเดยว• H2 • N2
• HF
1s 2s 2px 2py 2pz
H− H
H− F
N≡ N
64
ไฮบรไดเซชน (Hybridization)
กระบวนการสรางไฮบรดออรบทล คอ การผสมอะตอมกออรบทลในอะตอมเพอสรางออรบทลชดใหมทมรปรางและระดบพลงงานเทากน เพอใหสามารถอธบายการสรางพนธะไดดขน• ไฮบรไดเซชนจะเกดไดกตอเมอระดบ พลงงานของ AO มคา
ใกลเคยงกน• ออรบทลใหม เรยกวา ไฮบรดออรบทล (Hybrid orbital)
♦ มรปรางและระดบพลงงานเทากนแตมทศทางแตกตางกน• จานวนไฮบรดออรบทล= อะตอมกออรบทลเดม
sp
sp3Hybridization
ออรบทลของอะตอม ไฮบรดออรบทลของอะตอม
65
ชนดของไฮบรดออรบทล
ชนดไฮบรดออรบทลขนกบชนดและจานวนของ AO ทมาผสมกน• sp ม 2 ออรบทล (Linear)
• sp2 ม 3 ออรบทล (Trigonal planar)
• sp3 ม 4 ออรบทล (Tetrahedral)
• sp3d ม 5 ออรบทล (Trigonal bipyramidal)
• sp3d2 ม 6 ออรบทล (Octahedral)
จานวนพนธะทอะตอมมไดเทากบจานวน AO ทงหมดทมอเลกตรอนเดยว (ทงออรบทลปกตและไฮบรดออรบทล)
ไฮบรดออรบทล (sp, sp2, …) สามารถเกดพนธะซกมาเทานนในขณะทออรบทลปกต (s,p,d …) สามารถเกดพนธะซกมา ไพ เดลตา ...
รปรางของไฮบรดออรบทลจะตางจาก p ออรบทล
66
sp ไฮบรดออรบทล
sp-Hybridization คอการผสมระหวางs-orbital และ p-orbital
ได sp-hybrid orbital 2 ออรบทลจดเรยงกนเปนเสนตรง
p-orbital ทเหลออาจเกดพนธะ π 1 หรอ 2 พนธะ
s
px py pz
spHybridization
py pz
เกด 2 σ-bond เกด 2 π-bond
67
sp2 ไฮบรดออรบทล
sp2-Hybridization คอการผสมระหวาง s-orbital และ 2 p-orbitals
ได sp2-hybrid orbital รวม 3 ออรบทลจดเรยงกนเปนแบบสามเหลยมระนาบ
p-orbital ทเหลออาจเกดพนธะ π
s
px py pz
sp2Hybridization
pz
เกด 3 σ-bond เกด 1 π-bondp-orbital
68
sp3 ไฮบรดออรบทล
sp3-Hybridization เกดจาก s-orbital และ 3 p-orbitals
ได sp3-hybrid orbital รวม 4 ออรบทลจดเรยงกนเปนแบบทรงสหนา
ไมม p orbital เหลอใหสรางพนธะ π
s
px py pz
sp3Hybridization
เกด 4 σ-bond (หรอตามจานวนออรบทลทมอเลกตรอนเดยว)
69
sp3d และ sp3d2 ไฮบรดออรบทล
ธาตในคาบท 3 ขนไป อาจใช d ออรบทลในการไฮบรดเพราะระดบพลงงานไมแตกตางจาก p มากนก sp3d Hybridization
• 5 sp3d hybrid orbitals• จดเรยงเปนพระมดคฐานสามเหลยม
sp3d2 Hybridization• 6 sp3d2 hybrid orbitals• จดเรยงเปนทรงแปดหนา
70
H
HH
ตวอยางการสรางพนธะโดยพนธะไฮบรด
Be (1s22s2)
C (1s22s22p2)
2s
2px 2py 2pz
spHybridization 2py 2pz Be
BeH2
H
CH3Cl
C
H
2s
2px 2py 2pz
sp3Hybridization
Cl
Linear
Tetrahedral
71
H
N (1s22s22p3)
O (1s22s22p2)NH3
H2s
2px 2py 2pz
sp3Hybridization
N
H2O
2s
2px 2py 2pz
sp3Hybridization O
H
H
H
Trigonal Pyramidal
Bent
ตวอยางการสรางพนธะโดยพนธะไฮบรด
72
พนธะค (Double Bond)
พนธะค ประกอบดวย• พนธะ sigma (σ) จาก hybrid orbital• พนธะ pi (π) จาก p-orbital
73
พนธะคใน H2C=CH2
พนธะคใน H2C=CH2 ประกอบดวย• พนธะ sigma จาก sp-orbital ของคารบอน• พนธะ pi จาก p-orbital ของคารบอน
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
74
พนธะสาม (Triple Bond)
พนธะค ประกอบดวย• พนธะ sigma (σ) จาก hybrid orbital หรอ p-orbital• พนธะ pi (π) 2 พนธะ จาก 2 p-orbital
♦ N≡N (3 พนธะเกดจาก px py pz)♦ HC≡CH (3 พนธะเกดจาก sp px py)
+ +
+ +
- -
- -
+
-+
-
76
พนธะโลหะและแบบจาลองทะเลอเลกตรอน
โลหะมจดหลอมเหลวสง นาไฟฟาและความรอนไดด รดใหเปนแผนบางได มความมนวาวเมอขดถและสะทอนแสงไดด
• สมบตเหลานเปนผลจากพนธะโลหะ • ทฤษฎทสามารถใชอธบายพนธะโลหะไดแก แบบจาลองทะเล
อเลกตรอน และ ทฤษฎแถบพลงงาน
1. แบบจาลองทะเลอเลกตรอน (Electron sea model)นวเคลยสซงมประจบวกอยทจดแลททซ สวนวาเลนซอเลกตรอนเคลอนทไดอยางอสระ
• พนธะโลหะเกดจากแรงดงดดระหวางอเลกตรอนอสระและประจบวก
77
ทฤษฎแถบพลงงาน (Energy band theory)
การรวม AO จะไดออรบทลโมเลกลแบบมพนธะ (bonding) และออรบทลโมเลกลแบบตานพนธะ (anti-bonding)
เมอมอะตอมมากขนและจานวนออรบทลโมเลกลมากขน ระดบพลงงานจะใกลชดกนมากจนเหมอนเปนแถบตอเนองเรยกวาแถบพลงงาน (energy band)
อเลกตรอนอาจมพลงงานคาตางๆไดภายในแถบ หรอเคลอนทไปในบรเวณทออรบทลในแถบเดยวกนซอนเหลอมกนเทานน
โลหะนาไฟฟาไดเนองจากอเลกตรอนสามารถเคลอนทไดอยางอสระในเนอโลหะเมอถกกระตนโดยผานแถบแถบนาไฟฟาหรอแถบวาเลนซทมทวางอย
ออรบทล
ทวาง
ออรบทลทถก
บรรจเตมแลว
x
78
แรงระหวางโมเลกลคอแรงยดเหนยวทางไฟฟาระหวางโมเลกลหรอสารประกอบ• Cohesive Force แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลชนดเดยวกน• Adhesive Force แรงยดเหนยวระหวางโมเลกลทตางกน
ชนดของแรงระหวางโมเลกล
Type of Intermolecular Forces relative strength
Ionic bonds Ions 1000
Hydrogen bonds Strong dipoles 100
Dipole-Dipole Permanent dipoles 10
London Induced dipoles 1
แรงระหวางโมเลกล (Intermolecular Force)
79
แรงแวนเดอรวาลส (van de Waals Attraction)
แรงแวนเดอรวาลสคอแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลแบบออน อาจแบงออกไดเปน• แรงทเกดจากการกระทาระหวาง
โมเลกลแบบมขวซงมไดโพลแบบถาวร (permanent dipole) เรยกวา dipole-dipole interaction
• แรงทเกดระหวางโมเลกลทมขวและโมเลกลอนทไมมขวแตถกเหนยวนาใหมข ว เรยกวา dipole-induced dipole interaction
• แรงระหวางโมเลกลทไมมขวดวยกน เปนแรงระหวางขวแบบเหนยว-นา (induced dipole) หรอขวแบบชวคราว (temporary fluctuation dipole) มชอเรยกเฉพาะวาแรงลอนดอน (London Force)
80
เปนแรงระหวางโมเลกลแบบมขวแตเกดระหวางโมเลกลซงประกอบดวย H และ อะตอมอนทมคา EN สงมาก ๆ และมขนาดเลก เชน F O หรอ N ทาใหโมเลกลมสภาพขวสงกวาโมเลกลปกต แรงยดเหนยวนมคามากกวาแรงทเกดจาก dipole-dipole interaction สงผลใหสารทมพนธะไฮโดรเจนมจดเดอดและจดหลอมเหลวสงกวาปกต
Boiling Point (°C) • H2O 100.0 • HF 19.5 • NH3 -33.3 • H2S -60.7 • HCl -85.1 • CH4 -161.6
Hydrogen bondδ+
δ+δ+
δ+
δ+δ –
δ –
δ –
δ –
δ –
พนธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond)