กฎออกเตต (octet rule)€¦ · web viewเรื่อง....
TRANSCRIPT
กฎออกเตต (Octet rule)
ใบความรู้ที่ 2
เรื่อง กฎออกเตต / ความยาวพันธะและพลังงานพันธะ
********************************************************
1. กฎออกเตต (Octet rule)
จากการศึกษาธาตุเฉื่อย เช่น He, Ne,Ar,Kr พบว่าเป็นธาตุที่จัดอยู่ในประเภทโมเลกุลอะตอมเดียวทุกสถานะ คือใน 1 โมเลกุลของธาตุเฉื่อยจะมีเพียง 1 อะตอมทั้งสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซในธรรมชาติเกือบจะไม่พบสารประกอบของธาตุเฉื่อยเลย แสดงว่าธาตุเฉื่อยเป็นธาตุที่เสถียรมาก เกิดปฏิกิริยาเคมีกับธาตุอื่นได้ยาก ทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจค้นคว้าถึงเหตุผลที่ทำให้ธาตุเฉื่อยมีความเสถียร จากการศึกษาโครงสร้างอะตอมของธาตุเฉื่อยพบว่าธาตุเฉื่อยมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนวงนอกสุดเหมือนกัน คือ มี 8 เวเลนต์อิเล็กตรอน (ยกเว้นธาตุ He มี 2 ) เช่น
2He = 2
10Ne = 2 , 8
18Ar = 2 , 8 , 8
36Kr = 2 , 8 , 18 , 8
เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างอะตอมของธาตุอื่น ๆ เช่น H , O , N
1H = 1
8O = 2 , 6
7N = 2 , 5
ธาตุเหล่านี้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 ในธรรมชาติจะไม่สามารถอยู่เป็นอะตอมเดี่ยว ได้ ซึ่งไม่เสถียร ต้องรวมกันเป็นโมเลกุลซึ่งอาจจะมี 2 อะตอมหรือมากกว่า การที่ธาตุเฉื่อยมี 8 เวเลนต์อิเล็กตรอนแล้วทำให้เสถียรกว่าธาตุอื่นๆ ซึ่งมีเวเลนต์อิเล็กตรอนไม่เท่ากับ 8 ทำให้นัก วิทยาศาสตร์เชื่อว่าโครงสร้างของอะตอมที่มี 8 เวเลนต์อิเล็กตรอนเป็นสภาพที่อะตอมเสถียรที่สุด ดังนั้นธาตุต่าง ๆ ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 จึงพยายามปรับตัวให้มีโครงสร้างแบบธาตุเฉื่อย เช่น โดยการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพื่อทำให้เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ส่วนไฮโดรเจนจะพยายามปรับตัวให้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 เหมือนธาตุ He
การที่อะตอมของธาตุต่าง ๆ รวมตัวกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎออกเตต
ดังนั้นธาตุต่าง ๆ จึงพยายามรวมตัวกัน เพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต ซึ่งจะทำให้ได้สารประกอบหรือโมเลกุลที่อยู่ในสภาพที่เสถียร สำหรับการรวมตัวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์จะมีการใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างอะตอมคู่ร่วมพันธะ อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันถือว่าเป็นอิเล็กตรอนของอะตอมคู่ร่วมพันธะทั้งสอง
เช่น F2 มีสูตรแบบจุดเป็น
F F
อะตอมของ F มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7
เมื่อเกิดพันธะโคเวเลนต์มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่ ซึ่งอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 1 คู่นี้ถือว่าเป็นของฟลูออรีนทั้ง 2 อะตอม ทำให้ฟลูออรีนแต่ละอะตอมใน F2 มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8
จำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนของธาตุแต่ละชนิดอาจจะแสดงให้เห็นได้ชัดเจนขึ้นโดยการเขียนวงกลมล้อมรอบแต่ละลอะตอม จำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงกลมของธาตุใดก็จัดว่าเป็นของธาตุนั้น เช่น
F F
ตารางที่ 1 ตัวอย่างโครงสร้างอะตอมของธาตุในสารประกอบชนิดซึ่งเป็นไปตามกฎออกเตต
He
Ne
Ar
H O H
H
2
O
O C O
CO
2
H C N
HCN
Cl P Cl
Cl
PCl
3
O
H C H
CH
2
O
NH
3
H N H
H
H
H C H
CH
4
H
H O C O H
O
H
2
CO
3
H C C H
H
H
C
2
H
4
ข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต
ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าอะตอมของธาตุต่าง ๆ มักจะรวมตัวกันเป็นสารประกอบเพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต ซึ่งจะทำให้สารประกอบนั้นอยู่ในสภาพที่เสถียร เช่น H2O, PCl3, NH3, CO2 อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการศึกษาให้กว้างขวางออกไปก็พบว่าสารประกอบบางชนิดมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนไม่เป็นไปตามกฎออกเตต บางชนิดมีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 และบางชนิดมี เวเลนต์อิเล็กตรอนมากกว่า 8 ซึ่งสารต่าง ๆ เหล่านี้แม้ว่าจะไม่เป็นไปตามกฎออกเตต แต่ก็อยู่ในภาวะที่ไม่เสถึยร จัดว่าเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต ซึ่งสรุปได้ดังนี้
ก. พวกที่ไม่ครบออกเตต
ได้แก่สารประกอบของธาตุในคาบที่ 2 ของตารางธาตุ ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 4 เช่น 4Be และ 5B
4Be = 2 , 2 เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2
5B = 2 , 3 เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 3
ธาตุ Be และ B เมื่อเกิดเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ทั่ว ๆ ไปจะไม่ครบออกเตต
ตัวอย่างเช่น BF3 , BCl3 , BeCl2 และ BeF2 เป็นต้น
* ใน BF3 ธาตุ B จะมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 6 ซึ่งไม่ครบออกเตต ในขณะที่ธาตุ F ครบออกเตต
F B F
F
* ใน BeCl2 ธาตุ Be จะมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 ซึ่งไม่ครบออกเตต ในขณะที่ธาตุ Cl ครบออกเตต
Cl Be Cl
แต่ถ้าธาตุเหล่านี้เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน บางชนิดจะเป็นไปตามกฎออกเตต เช่น BF4-, BCl3.NH3
· ใน BF4- ทั้ง B และ F ต่างก็มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เป็นไปตามกฎออกเตต
F B F
F
F
-
· ใน BCl3.NH3 ทั้ง B , Cl , N และ F ต่างก็เป็นไปตามกฎออกเตต
Cl B
Cl
Cl
N H
H
H
ข. พวกที่เกินกฎออกเตต
ตามทฤษฎีสารประกอบของธาตุที่อยู่ในคาบที่ 3 ของตารางธาตุเป็นต้นไป สารมารถสร้างพันธะแล้วทำให้อิเล็กตรอนเกิน 8 ได้ (ตามกฎการจัดอิเล็กตรอน 2n2 ในคาบที่ 3 สามารถมีอิเล็กตรอนได้เต็มที่ถึง 18 อิเล็กตรอน) แต่อย่างไรก็ตามพวกที่เกินออกเตตมักจะพบในสารประกอบบางตัวของ P , S และโลหะทรานซิชัน เช่นใน PCl5 , SF6 , Fe(CN)63- , Co(NH3)62+ , SiF62- และ Icl3 เป็นต้น
· ใน PCl5 ธาตุ P เกิดพันธะกับ Cl รวม 5 พันธะจึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 10 ซึ่งเกินออกเตต ( 1 พันธะหรือ 1 เส้นประกอบด้วย 2 อิเล็กตรอน) สำหรับ PCl3 หรือสารประกอบอื่น ๆ ของธาตุ P ส่วนมากเป็นไปตามกฎออกเตต
P
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
· ใน SF6 ธาตุ S เกิดพันธะกับ F รวม 6 พันธะจึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 12 ซึ่งเกินออกเตต แต่ใน SF2 หรือสารประกอบอื่น ๆ ของธาตุ S ส่วนมากเป็นไปตามกฎออกเตต
S
F
F
F
F
F
F
· ใน ICl3 ธาตุ I เกิดพันธะกับ Cl รวม 3 พันธะและมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ จึงรวมเป็น 10 อิเล็กตรอน ซึ่งเกินออกเตต แต่ ICl หรือสารประกอบอื่น ๆ ของ I ส่วนใหญ่เป็นไปตามกฎออกเตต
I
Cl
Cl
Cl
· ใน Co(NH3)62+ ธาตุ Co เกิดพันธะกับ N ใน NH3 รวม 6 พันธะจึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 12 ซึ่งเกินออกเตต
Co
NH
3
NH
3
NH
3
NH
3
NH
3
NH
3
นอกจากสารประกอบที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตตดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีสารประกอบอื่น ๆ อีกบางชนิดซึ่งไม่เป็นไปตามกฎออกเตต เช่น ออกไซด์บางตัวของธาตุไนโตรเจน ( NO และ NO2 )และออกไซด์ของคลอรีน (ClO2) เป็นต้น ธาตุเหล่านี้ (N และ Cl) สามารถมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่ หรืออิเล็กตรอนเดี่ยว (Unpaired electron) ซึ่งทำให้แสดงสมบัติเป็น paramagnetic ได้
· ใน NO ธาตุ N มีเพียง 7 อิเล็กตรอนซึ่งไม่เป็นไปตามกฎออกเตต
N O
· ใน NO2 ธาตุ N เกิดพันธะกับธาตุ O แต่มีอิเล็กตรอนเพียง 7 ซึ่งไม่ครบออกเตต
N O
O
· ใน ClO2 ธาตุ Cl เกิดพันธะกับธาตุ O แต่มีอิเล็กตรอนเพียง 7 ซึ่งไม่ครบออกเตต
O
Cl O
ประโยชน์ของกฎออกเตต
กฎออกเตต นอกจากจะใช้สำหรับเขียนสูตรโครงสร้างสารแล้ว ยังสามารถใช้ช่วยทำนายสัดส่วนจำนวนอะตอมของธาตุที่ทำปฏิกิริยากัน และทำนายสูตรของสารประกอบต่าง ๆ ได้ เช่น
1. ทำนายว่าสารประกอบระหว่างธาตุคลอรีนกับธาตุฟลูออรีน ควรจะมีสูตรเป็น ClF
เนื่องจากธาตุ Cl และ F ต่างก็เป็นธาตุหมู่ที่ 7 จึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 ทั้ง Cl และ F ต่างก็ต้องการอีก 1 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงสร้างพันธะ 1 พันธะ แสดงว่า Cl กับ F ควรจะรวมกันเป็นสารประกอบโดยใช้อย่างละ 1 อะตอม
Cl + F Cl F
หรือ Cl - F
2. กรณีสารประกอบฟอสฟอรัสกับคลอรีน
โดยอาศัยกฎออกเตตจะทำนายได้ว่าสูตรของสารประกอบควรจะเป็น PCl3 เพราะ ธาตุ P เป็นธาตุหมู่ที่ 5 มี 5 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 3 อิเล็กตรอน หรือต้องเกิด 3 พันธะ จึงจะครบออกเตต ในขณะที่ Cl เป็นธาตุหมูที่ 7 มี 7 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีกเพียง 1 อิเล็กตรอนหรือต้องการเกิดเพียง 1 พันธะก็จะครบออกเตต
เพื่อให้ทั้ง P และ Cl ครบออกเตต จึงต้องใช้ Cl 3 อะตอมต่อ P 1 อะตอม สูตรของสารประกอบจึงเป็น PCl3
Cl
Cl P Cl
Cl P Cl
3( Cl ) +
P
Cl
หรือ
3. กรณีของสารประกอบระหว่างไนโตรเจนกับไฮโดรเจน
โดยใช้กฎออกเตต จะทำนายได้ว่าสารประกอบควรจะเป็น NH3
ธาตุ N มี 5 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 3 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตตซึ่งก็ทำได้โดยการเกิด 3 พันธะ ส่วนธาตุ H มี 1 เวเลนต์อิเล็กตรอนต้องการอีก 1 อิเล็กตรอนจึงจะครบ 2 อิเล็กตรอนเหมือนธาตุ He ซึ่งก็ทำได้โดยการเกิด 1 พันธะ
ดังนั้น N 1 อะตอมต้องการ 3 พันธะ จึงต้องรวมกับ H 3 อะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมต้องการ 1 พันธะ เพื่อให้ทั้ง N และ H ครบออกเตต สูตรของสารประกอบจึงเป็น NH3
H N H
H
H
N
3(H ) +
H N H
หรือ
4. กรณีสารประกอบระหว่างคาร์บอนกับคลอรีน
โดยใช้กฎออกเตต จะทำนายได้ว่าสูตรของสารประกอบควรจะเป็น CCl4
ธาตุ C มี 4 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 4 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงต้องเกิด 4 พันธะ ส่วน ธาตุ Cl มี 7 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 1 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงต้องเกิด 1 พันธะ
เพราะฉะนั้น C 1 อะตอม ต้องการ 4 พันธะ จึงต้องรวมกับ Cl 4 อะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมต้องการ 1 พันธะ จึงจะทำให้ C และ Cl ครบออกเตต
สูตรของสารประกอบจึงเป็น CCl4
หรือ
Cl
C
4( Cl ) +
Cl C Cl
Cl C Cl
Cl
Cl
Cl
5. กรณีสารประกอบระหว่างคาร์บอนกับกำมะถัน
โดยใช้กฎออกเตต จะทำนายได้ว่าสูตรของสารประกอบควรจะเป็น CS2
ธาตุ C มี 4 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 4 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงเกิด 4 พันธะ ส่วนธาตุ S มี 6 มีเวเลนต์อิเล็กตรอนต้องการอีก 2 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงเกิด 2 พันธะ
เพราะฉะนั้น C 1 อะตอมต้องการ 4 พันธะ จึงต้องรวมกับ S 2 อะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมต้องการ 2 พันธะ เพื่อให้ทั้ง C และ S ครบออกเตต
สูตรของสารประกอบจึงเป็น CS2
C
+
2( S )
S C S
หรือ S = C = S
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2. พลังงานพันธะและความยาวพันธะ
2.1 พลังงานพันธะ (Bond energy) คือ พลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะระหว่างอะตอมของธาตุภายในโมเลกุลที่อยู่ในสถานะก๊าซออกเป็นอะตอมเดี่ยว เช่น
H2 (g) + 436 kJ ( 2H (g)
จากสมการก๊าซ H2 1 โมลต้องการจะสลายเป็น H อะตอม 2 โมล ต้องใช้พลังงาน 436 kJ
HI (g) + 298 kJ ( H (g) + I (g)
ก๊าซ HI 1 โมลต้องการสลายเป็น H และ I อะตอมอย่างละ 1โมลต้องใช้พลังงาน 298 kJ
จากตัวอย่างข้างต้นนี้แสดงว่าสารต่างชนิดกัน จำนวนโมลเท่ากัน พลังงานที่ใช้สลายพันธะก็ต่างกัน การสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารต่างชนิดกันจะใช้พลังงานสลายไม่เท่ากัน เช่น การสลายพันธะ C - H ใน CH4 และ C2H6 มีค่าไม่เท่ากัน
CH4 (g) + 435 kJ ( CH3 (g) + H (g)
C2H6 (g) + 400 kJ ( C2H5 (g) + H (g)
แลการสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารเดียวกัน (ที่มีพันธะชนิดเดียวกัน) ก็ใช้พลังงานสลายไม่เท่ากัน เช่น การสลายพันธะ C - H ใน CH4
CH4 (g) + 435 kJ ( CH3 (g) + H (g)
CH3 (g) + 464 kJ ( CH2 (g) + H (g)
CH2 (g) + 422 kJ ( CH (g) + H (g)
CH (g) + 339 kJ ( C (g) + H (g)
เมื่อรวมขั้นทั้ง 4 เข้าด้วยกันจะได้ว่า
CH4 (g) + 1660 kJ ( C (g) + 4H (g)
พลังงานที่ทำให้โมเลกุล CH4 แตกออกเป็นอะตอมในสภาวะก๊าซ เรียกว่า Atomization energy และพลังงานเฉลี่ยของพันธะ C - H ใน CH4 = 1660/4 = 415 kJ เรียกพลังงานค่านี้ว่า พลังงานพันธะเฉลี่ย ( Average bond energy ) อนึ่งจากตารางที่ 6.1 ค่าพลังงานเฉลี่ยของพันธะ C - H ของสารทั่ว ๆ ไป มีค่า 413 kJ ซึ่งมีค่าต่างจากค่าพลังงานเฉลี่ยของพันธะ C - H ซึ่งหาได้จาก CH4 เท่านั้น
เนื่องจากพลังงานที่ใช้สลายพันธะแต่ละพันธะในคู่อะตอมเดียวกันไม่เท่ากัน จึงเป็นการยากที่จะจดจำและไม่สะดวกต่อการใช้ ดังนั้นเพื่อความสะดวกจึงนิยมใช้พลังงานพันธะเฉลี่ยแทน ดังในตารางที่ 2
ตารางที่ 2 พลังงานพันธะเฉลี่ยระหว่างอะตอมคู่ต่าง ๆ
พลังงานพันธะ (kJ/mol)
หมู่ 4 A
หมู่ 5 A
หมู่ 6 A
หมู่ 7 A
C - H 413
C - C 348
C - N 305
C - F 485
C - Cl 339
C - Br 285
C - I 240
C - S 272
Si - H 323
Si - Si 226
Si - C 301
Si - O 368
C = C 614
C
º
C 839
C = N 615
C
º
N 891
C = O 745
C
º
O 1075
N - H 391
N - N 163
N - O 201
N - F 272
N - Cl 200
N - Br 243
N = N 418
N
º
N 945
O - H 463
O - O 146
O - F 190
O - Cl 203
O - I 234
S - H 367
S - F 327
S - Cl 253
S - S 255
O = O 498
S = O 523
S = S 418
H - H 436
H - F 567
H - Cl 431
H - Br 366
H - I 298
F - F 159
Cl - F 253
Cl - Cl 242
Br - F 237
Br - Cl 218
Br - Br 193
I - Cl 208
I - Br 175
I - I 151
ลักษณะสำคัญของพันธะเคมี
1. พลังงานพันธะมีหน่วยเป็น กิโลจูล/โมล (kJ/mol) หรือกิโลแคลอรี่/โมล (kcal/mol)
2. พลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะจำนวน 1 โมล หรือพลังงานที่ได้จากการเกิดพันธะจำนวน 1 โมล เรียกว่า พลังงานพันธะ
3. พันธะชนิดเดียวกัน พลังงานที่ใช้สลายพันธะและพลังงานที่ได้จากการเกิดพันธะจำนวนเท่ากัน มีค่าเท่ากันเสมอ แต่ถ้าสลายพันธะต่างชนิดกันจะใช้พลังงานต่างกัน
4. พลังงานพันธะบอกให้ทราบถึงความแข็งแรงของพันธะ คือ พันธะเคมีที่ต้องใช้พลังงานสลายสูงกว่า จะมีความแข็งแรงของพันธะมากกว่าพันธะเคมีที่ต้องใช้พลังงานสลายต่ำกว่า นั่นคือ พันธะระหว่างอะตอมคู่เดียวกัน ความแข็งแรงของพันธะเดี่ยว < พันธะคู่ < พันธะสาม
5. ปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ที่เกิดขึ้น โดยทั่วไปจะมีการสลายพันธะเดิม และการเกิดพันธะใหม่ พลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปในปฏิกิริยา จะเท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานที่ระบบดูดเข้าไปสลายพันธะเดิมทั้งหมดกับพลังงานที่ระบบคายออกมาเมื่อเกิดพันธะใหม่ทั้งหมด
D
H = (พลังงานที่ระบบดูด) - (พลังงานที่ระบบคาย)
· ถ้าระบบดูดพลังงาน > คายพลังงาน
พลังงานที่เปลี่ยนแปลง (
D
H ) = (ดูด - คาย )
จะได้ค่า
D
H มีเครื่องหมายเป็นบวก แสดงว่าระบบมีการเปลี่ยนแปลงเป็นแบบดูดพลังงาน
· ถ้าระบบดูดพลังงาน < คายพลังงาน
พลังงานที่เปลี่ยนแปลง (
D
H ) = (ดูด - คาย )
จะได้ค่า
D
H มีเครื่องหมายเป็นลบ แสดงว่าระบบมีการเปลี่ยนแปลงเป็นแบบคายพลังงาน
6. ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ที่มีแต่การสลายพันธะ ไม่มีการเกิดพันธะใหม่ เป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน (Endothermic Reaction) เช่น
O2 (g) + 498 kJ ( 2O (g)
หรือO2 (g) ( 2O (g) ;
D
H = +498 kJ
CH4 (g) + 1660 kJ ( C (g) + 4 H (g)
หรือ CH4 (g) ( C (g) + 4 H (g) ;
D
H = +1660 kJ
7. ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ที่มีแต่การเกิดพันธะใหม่ ไม่มีการสลายพันธะ จะเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน (Exothermic Reaction) เช่น
O (g) + 2H (g) ( H2O (g) + 926 kJ
หรือ O (g) + 2H (g) ( H2O (g) ;
D
H = - 926 kJ
Cl (g) + Cl (g) ( Cl2 (g) + 242 kJ
หรือCl (g) + Cl (g) ( Cl2 (g) ;
D
H = - 242 kJ
8. ในปฏิกิริยาเคมีใด ๆ ที่มีทั้งการสลายพันธะและการเกิดพันธะใหม่ ปฏิกิริยานั้นอาจจะเป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทดูดหรือคายพลังงานก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับพลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะ กับพลังงานที่เกิดจากการสร้างพันธะใหม่เป็นเกณฑ์
· ปฏิกิริยาที่มีพลังงานที่ใช้สลายพันธะทั้งหมด มากกว่าพลังงานที่ได้จากการเกิดพันธะใหม่ทั้งหมด เรียก ปฏิกิริยานั้นว่า ปฏิกิริยาดูดพลังงาน เช่น
2NH3 (g) + 92 kJ ( N2 (g) + 3H2 (g)
หรือ 2NH3 (g) ( N2 (g) + 3H2 (g) - 92 kJ
หรือ 2NH3 (g) ( N2 (g) + 3H2 (g) ;
D
H = + 92 kJ
· ปฏิกิริยาที่มีพลังงานที่ใช้สลายพันธะทั้งหมด น้อยกว่าพลังงานที่ได้จากการเกิดพันธะใหม่ทั้งหมดเรียกปฏิกิริยานั้นว่า ปฏิกิริยาคายพลังงาน เช่น
H2 (g) + F2(g) ( 2HF (g) + 539 kJ
หรือ H2 (g) + F2(g) -539 kJ ( 2HF (g)
หรือ H2 (g) + F2(g) ( 2HF (g) ;
D
H = -539 kJ
9. สำหรับปฏิกิริยาเคมีที่มีทั้งการสลายพันธะและการเกิดพันธะใหม่ แต่ไม่ทราบพลังงานพันธะก็อาจจะคาดคะเนได้ว่าเป็นปฏิกิริยาประเภทดูดหรือคายพลังงานได้ โดยใช้จำนวนพันธะที่สลายและจำนวนพันธะที่เกิดขึ้นใหม่เป็นเกณฑ์ คือ ถ้าจำนวนพันธะที่สลายทั้งหมดของสารตั้งต้น มากกว่าจำนวนพันธะที่เกิดใหม่ของสารผลิตภัณฑ์ทั้งหมดก็เป็นประเภทดูดความร้อน ถ้าน้อยกว่า ก็เป็นประเภทคายพลังงาน หรือพิจารณาได้จากลักษณะของปฏิกิริยา คือ ถ้าเป็นการสลายโมเลกุลใหญ่ออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ ส่วนมากเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงาน แต่ถ้าเป็นการรวมโมเลกุลเล็ก ๆ เกิดเป็นโมเลกุลใหญ่ หรือเป็นปฏิกิริยาการเผาไหม้ ส่วนมากเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน เช่น
2NH3 (g) + 92 kJ ( N2 (g) + 3H2 (g) ดูดพลังงาน
C2H4 (g) ( C2H2 (g) + H2( g)
ดูดพลังงาน
H2 (g) + I2 (g) ( 2HI (g)
คายพลังงาน
2C2H2 (g) + 5O2 (g) ( 4CO2(g) + 2H2O (g) คายพลังงาน
การคำนวณพลังงานกับปฏิกิริยาเคมี
ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณพลังงานความร้อนในการเกิด HCl จากปฏิกิริยา
H - H (g) + Cl - Cl (g) ( 2 H - Cl (g)
กำหนดพลังงานพันธะ *D(H - H) = 436 kJ/mol
D(Cl - Cl) = 242 kJ/mol
D(H - Cl) = 431 kJ/mol
วิธีทำพันธะที่สลาย มี (H - H) 1 โมล
(Cl - Cl) 1 โมล
พลังงานที่ใช้สลายพันธะทั้งหมด = D(H - H) + D(Cl - Cl)
= 436 + 242 kJ = 678 kJ
พันธะที่เกิดมี ( H - Cl ) 2 โมล
พลังงานที่เกิดจากการสร้างพันธะทั้งหมด = 2 D(H - Cl)
= 2 (431) kJ = 862 kJ
พลังงานความร้อนของปฏิกิริยา = (678) - (862) = -184 kJ
พลังงานในการเกิดสารใหม่คิดเป็นค่าพลังงานต่อโมลของสารใหม่ที่เกิด
HCl 2 โมล พลังงานความร้อน = -184 kJ
HCl 1 โมล พลังงานความร้อน = -184 x
2
1
kJ
พลังงานในการเกิด HCl = -92 kJ
ซึ่งเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
(* D = Dissociation energy หรือ Bond energy คือ พลังงานพันธะ)
ในการคำนวณพลังงานของปฏิกิริยาอาจใช้สูตรดังนี้
å
å
DH
DH
=
DH
ณฑ์)
(สารผลิตภั
-
น)
(สารตั้งต้
DH
= พลังงานของปฏิกิริยา ( Heat of reaction)
å
DH
(สารผลิตภัณฑ์) = พลังงานทั้งหมดที่คายออกมาจากการสร้างพันธะของสารผลิตภัณฑ์
å
DH
(สารตั้งต้น) = พลังงานทั้งหมดที่สลายพันธะของสารตั้งต้น
ตัวอย่างที่ 2 จงประมาณค่าพลังงานความร้อนที่เปลี่ยนแปลงในการเกิดไฮดราซีน (N2H4)
กำหนดพลังงานพันธะ D(N
º
N) = 945 kJ/mol
D(H - H) = 436 kJ/mol
D(N - N) = 163 kJ/mol
D(N - H) = 391 kJ/mol
สมการของปฏิกิริยาคือ
N N (g) + 2(H - H) (g)
N - N (g)
H
H
H
H
วิธีทำ
พันธะที่สลายมี (N
º
N) 1 โมล , (H - H) 2 โมล
พันธะที่สร้างมี (N - N) 1 โมล , (N - H) 4 โมล
DH
= [D(N
º
N) + 2 D(H - H)] - [D(N - N) + 4 D(N - H)]
= [ 945 + 2(436) ] - [ 163 + 4(391)] = +90 kJ
ตัวอย่างที่ 3 จงคำนวณหาพลังงานในการเกิดอะเซติลีน H - C
º
C - H
สมการในการเกิดอะเซติลีนจากธาตุคือ
2 C (แกรไฟต์) + H - H (g) ( H - C
º
C - H (g)
กำหนดพลังงานพันธะเป็นดังนี้
D(H -H) = 436 kJ/mol D(C - H) = 413 kJ/mol
D(C
º
C ) = 839 kJ/mol และพลังงานการระเหิดของแกรไฟต์คือ
C (แกรไฟต์) ( C (g) ;
DH
การระเหิด = +717 kJ/mol
วิธีทำ พันธะที่สลายมี C (แกรไฟต์) จากของแข็งเปลี่ยนเป็นก๊าซ 2 โมล , (H -H) 1 โมล
พันธะที่สร้างมี (C -H) 2 โมล , (C
º
C) 1 โมล
DH
= [2 C (แกรไฟต์) + D(H - H)] - [2D(C -H) + D(C
º
C)]
= [ 2(717) + 436] - [2(413) +839] = +205 kJ
2.2 ความยาวพันธะ
ความยาวพันธะ (Bond lengths) คือ ระยะทางระหว่างนิวเคลียสของอะตอมคู่หนึ่งที่มีพันธะต่อกันเนื่องจากพลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารต่าง ๆ ใช้ไม่เท่ากัน ดังนั้น ความยาวพันธะก็ยาวต่างกันด้วย แต่อย่างไรก็ตามความยาวพันธะของคู่อะตอมที่สร้างพันธะชนิดเดียวกันในสารประกอบต่างชนิดกันจะมีค่าใกล้เคียงกัน เพื่อความสะดวกและง่ายต่อการจดจำจึงใช้เป็นค่าเฉลี่ย เรียกว่า ความยาวพันธะเฉลี่ย (Average bond lengths) เช่น
ความยาวพันธะของ H - H 74 pmความยาวพันธะของ C - O 143 pm
ความยาวพันธะของ C = O 122 pm
ตารางที่ 3 ความยาวพันธะเฉลี่ยระหว่างอะตอมคู่ต่าง ๆ
ความยาวพันธะ (pm*)
หมู่ 4 A
หมู่ 5 A
หมู่ 6 A
หมู่ 7 A
C - H 108
C - C 154
C - N 147
C - O 143
C - F 141
C - Cl 177
C - Br 194
C - I 210
C - S 182
Si - H 145
Si - Si 234
Si - C 194
Si - O 183
C = C 134
C
º
C 120
C = N 130
C
º
N 116
C = O 122
C
º
O 113
N - H 101
N - N 146
N - O 136
N - F 134
N - Cl 169
N - Br 184
N = N 125
N
º
N 110
O - H 97
O - O 148
O - F 130
O - Cl 165
O - I 199
S - H 134
S - F 158
S - Cl 203
S - Br 218
S - S 143
O = O 121
S = O 144
S = S 189
H - H 74
H - F 92
H - Cl 128
H - Br 141
H - I 160
F - F 142
Cl - F 163
Cl - Cl 199
Br - F 178
Br - Cl 213
Br - Br 228
I - Cl 232
I - Br 247
I - I 267
* 1 pm = 10-12 m
ลักษณะสำคัญของความยาวพันธะ
1. ความยาวพันธะใช้หน่วยวัดเป็น pm หรือ 0A โดย 1 0A = 10-10 m , 1 pm = 10-12 m
2. ความยาวพันธะของอะตอมคู่หนึ่งๆ จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของพันธะและพลังงานพันธะ
3. ในคู่อะตอมของธาตุที่เหมือนกัน สามารถเกิดพันธะได้มากกว่าหนึ่งชนิด พันธะแต่ละชนิดจะมีความยาวพันธะไม่เท่ากัน คือ ความยาวพันธะพันธะเดี่ยว > พันธะคู่ > พันธะสาม เช่น
C - C > C = C > C
º
C N - O > N = O > N
º
O
154 pm > 134 pm > 120 pm 136 pm > 115 pm > 108 pm
4. ในคู่อะตอมชนิดเดียวกัน ความยาวพันธะมีความสัมพันธ์กับพลังงานพันธะ คือ
ความยาวพันธะ พันธะเดี่ยว > พันธะคู่ > พันธะสาม
พลังงานพันธะ พันธะเดี่ยว < พันธะคู่ < พันธะสาม
เช่น ชนิดของพันธะ C - C C = C C
º
C
ความยาวพันธะ 154 pm 134 pm 120 pm
พลังงานพันธะ 348 kJ/mol 614 kJ/mol 839 kJ/mol
5. ในอะตอมคู่ที่เกิดจากธาตุหนึ่ง สร้างพันธะกับอีกธาตุอื่น ๆ ที่มีขนาดอะตอมต่างกัน ความยาวพันธะมีความสัมพันธ์กับขนาดของอะตอม คือ ความยาวพันธะเพิ่มขึ้นตามขนาดอะตอมที่ใหญ่ขึ้น เช่น ขนาดอะตอมของธาตุในหมู่ 4A , 5A และ 6A ดังภาพ
หมู่4A หมู่ 5A หมู่ 6A
C N O
Si P S
ดังนั้นการเปรียบเทียบความยาวพันธะระหว่าง C กับธาตุอื่น ๆ เป็นดังนี้
ความยาวพันธะใน C - N < C - C < C - P
147 pm 154 pm 184 pm
( ความยาวพันธะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา) (
ความยาวพันธะใน N = O < C = O
115 pm 122 pm
ความยาวพันธะใน C
º
N < C
º
C
116 pm 120 pm
6. ประโยชน์ของการศึกษาความยาวพันธะ ทำให้ทราบข้อมูลเกี่ยวกับการรวมตัวของอะตอมด้วยพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ ซึ่งเป็นพันธะโคเวเลนต์ชนิดหนึ่ง และทราบข้อมูลเกี่ยวกับปรากฏการณ์เรโซแนนซ์
N N
N N
H C N
H - C N
***************************************************************************
แบบทดสอบเสริมประสบการณ์
เรื่อง พลังงานพันธะและความยาวพันธะ
1. พลังงานที่ต้องใช้ในการสลายพันธะระหว่างคาร์บอนกับคาร์บอนค่ามากที่สุดในโมเลกุล
ก C2H6
ข C2H4
ค C2H2
ง C2H4Cl2
2. ปฏิกิริยา CH4 (g) C (g) + 4H (g) กำหนดค่าพลังงานพันธะ ดังนี้ H - H = 104 kJ / mol และ C - H = 81 kJ / mol ปฏิกิริยาข้างบนนี้จะมีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเป็น
ก ปฏิกิริยาดูดความร้อน พลังงานทั้งหมด = 185 kJ / mol
ข ปฏิกิริยาดูดความร้อน พลังงานทั้งหมด = 324 kJ / mol
ค ปฏิกิริยาคายความร้อน พลังงานทั้งหมด = 185 kJ / mol
ง ปฏิกิริยาคายความร้อน พลังงานทั้งหมด = 324 kJ / mol
3. ในการสลายแก๊สอะเซทิลีน (C2H2) 1 โมลเป็นอะตอมโดยสมบูรณ์ต้องใช้พลังงานเป็นกิโลจูล
ต่อโมลเท่ากับเท่าใด กำหนดพลังงานพันธะเฉลี่ย (kJ / mol) C - C = 348 , C = C = 614 ,
C= C = 839 ,C - H = 413 ,C - O = 358 ,C = O = 745 ,O - H = 463, O - O = 146
ก 1174
ข 1665
ค 1440
ง 1870
4. จากข้อมูลข้อ 3 ปฏิกิริยาต่อไปนี้ ปฏิกิริยาใดเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน
ก O2 2O
ข CO2 C + 2O
ค H2 O 2H + O
ง CH4 + 2O2 CO2 + 2H2 O
5. การสลายพันธะระหว่างอะตอมใดในโมเลกุล CH3COCl ใช้พลังงานมากที่สุด
ก C กับ H
ข C กับ C
ค C กับ O
ง C กับ Cl
6. ปฏิกิริยา C (g) + 4H (g) CH4 (g) คายพลังงาน x kJ / mol ของ CH4 และ
ปฏิกิริยา CH3CH3 (g) 2C (g) + 6H (g) ดูดพลังงาน y kJ / mol ของ CH3CH3
จงหาพลังงานพันธะ C - C จะมีค่ากี่กิโลจูลต่อโมล
ก y + 6x
ข y - 6x
ค y + 3x / 2
ง y - 3x / 2
คำชี้แจง ใช้ข้อมูลต่อไปนี้ตอบคำถามข้อ 7 - 8
กำหนดพลังงานพันธะ (kJ / mol)
C - C = 348 , C = C = 614 , C= C = 839 ,C - H = 413
มวลอะตอม H = 1 , C = 12
7. ข้อใดถูกต้อง
ก สลาย C2H2 0.5 mol ใช้พลังงาน 832.5 kJ
ข สลาย C2H2 13 gใช้พลังงาน 720 kJ
ค สลาย C2H2 56 dm3 STP ใช้พลังงาน 416.3 kJ
ง การสลาย CH4 1 mol ใช้พลังงานเท่ากับการสลาย C2H2 0.5 mol
8. พลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะในโมเลกุลสภาวะแก๊สปริมาณ 1 mol เท่ากันของสารใดมากที่สุด
ก C4H6
ข C4H8
ค C4H10
ง C3H4
9. ให้ A2 (g) + 3B2 (g) 2AB2 (g) คายพลังงาน x kJ กำหนดพลังงานพันธะ B - B
และ A - B เป็น b และ c kJ / mol ตามลำดับพลังงานพันธะของ A2 เป็นกี่ kJ / mol
ก x
ข b + c - x
ค 2c - 3b - x
ง 6c - 3b - x
10. กำหนดพลังงานพันธะ (kJ / mol)
C - C = 348 , C = C = 614 , C - H = 413 ,C - Cl = 339 , Cl - Cl = 242
ถ้าไซโคลเฮกซีนเกิดปฏิกิริยาการรวมตัวกับคลอรีนจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานกี่กิโลจูลต่อโมล
ก 170
ข 340
ค 412
ง 242
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------