พันธะเคมี (chemical bondings) · ชนิดของพันธะเคมี...

พนธะเคม อาจารยเพชรลดา กนทาด 1

พนธะเคม (CHEMICAL BONDINGS)

เนอหาบรรยาย รายวชา คอ 221 เคมอนนทรยทางอตสาหกรรม อ.ดร. เพชรลดา กนทาด

บทน า

2 2 เนอหาบรรยาย รายวชา คอ 221 เคมอนนทรย ทางอตสาหกรรม

อ.ดร. เพชรลดา กนทาด

พนธะเคม (Chemical Bondings)

• อะตอมของธาตสามารถรวมกน เกดเปนสสารทกชนดรอบตวเรา

• ผลการทดลองท าใหเชอไดวา อะตอมมแรงดงดดระหวางกน เรยกวา พนธะเคม (Chemical Bonding)

เกดเปนโมเลกลของธาตและสารประกอบชนดตางๆ ได

• แลวเหตใดอะตอมจงรวมตวกน และรวมในอตราสวนแตกตางกน เหตใดโมเลกลตางๆ จงวองไวหรอเฉอยตอปฏกรยาแตกตางกน เหตใดโมเลกลตางๆ จงมรปรางแตกตางกน เหตใดโมเลกลตางๆ จงมสมบตแตกตางกน

ค ำถำมเหลำน สำมำรถอธบำยไดดวยเรองของ พนธะเคม


ชนดของพนธะเคม




• การเกดพนธะระหวางอะตอมจะม 2 แบบ

- การถายโอนอเลกตรอนระหวางอะตอม

- การใชอเลกตรอนรวมกนระหวางอะตอม

1. กำรถำยโอนอเลกตรอนและกำรเกดสำรประกอบไอออนก

การถายโอนอเลกตรอนระหวางอะตอม อะตอมให-อะตอมรบ ไอออนบวก-ไอออนลบ ดงดดกนดวย electrostatic force “ionic bond”

ตวอยางเชน NaCl ผลก NaCl - Na+ 1 ไอออน ถกลอมรอบดวย Cl- 6 ไอออน - Cl- 1 ไอออน ถกลอมรอบดวย Na+ 6 ไอออน





Na = 1s2 2s2 2p6 3s1 เสย 1 e- ในวงนอก Na+ = 1s2 2s2 2p6 (เหมอน Ne) Cl = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 รบ 1 e- Cl- = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 (เหมอน Ar)

- จะเหนวา ธาตมแนวโนมใหหรอรบ e- เพอใหมโครงสราง e- เหมอนกาซเฉอย มเสถยรภาพสง valence e- ครบ 8 (octet rule) (ยกเวน He ครบ 2)

“ดงนน โลหะ Na จงวองไวในการท าปฏกรยา ในขณะทกาซ Ar เฉอยตอปฏกรยา”

• ปฏกรยาของ Na และ Cl พลงงานทเปลยนแปลงในการเกดสารประกอบ ไอออนก NaCl(s) ประกอบดวย 5 ขนตอน คอ

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)

ดงนน ปฏกรยารวม; Na (s) + ½ Cl2 (g) NaCl (s) (formation of NaCl)

H0f = Hsub + Hdiss + IE + EA + U

= 108 + 122 + 496 + (-349) + (-788) = - 411 kJ/mol

พลงงานของปฏกรยารวม = ผลรวมของการเปลยนแปลงพลงงานทกขนตอน





และสามารถสรปไดดง Born-Haber cycle ของการเกด NaCl (s) ดงรป

U = lattice energy เกดจากแรงดงดดระหวางประจของไอออนบวกและลบในผลกของแขง อธบายไดดวยกฏของคลอมบ






lattice energy (U) = k Z1 Z2 d เมอ k = คาคงทของการจดเรยงในผลก (เปนคาเฉพาะของสารประกอบไอออนกแตละชนด) Z1, Z2 = คาประจของไอออนชนดท 1 และ 2 d = ระยะระหวางจดศนยกลางของไอออนทงสอง

- จะเหนวา lattice energy จะสงมาก ถาประจ Z1 และ Z2 มาก และ ระยะ d นอย (ไอออนมขนาดเลก อยใกลกน)

- สารประกอบท anion ชนดเดยวกน แต cation ตางกน U เมอขนาด cation เชน K+ > Na+ > Li+ lattice energy LiF > NaF > KF

- สารประกอบท cation ชนดเดยวกน แต anion ตางกน กใหผลท านองเดยวกน





- สารประกอบทไอออนมประจมากกวา คา U จะมากกวา

เชน lattice energy (U) AlI3 > MgI2 > NaI (ประจ Al3+ > Mg2+ > Na+)

2. กำรใชอเลกตรอนรวมกนและกำรเกดพนธะโคเวเลนต (Covalent bond)

พนธะโคเวเลนต เกดจากการใช e- รวมกนระหวางอะตอม

เชน โมเลกล H2 พนธะ H-H e- 2 ตวมาจากแตละอะตอมและอยรวมกนระหวางนวเคลยสทงสอง

โมเลกล H2O O น า e- วงนอกมาใชรวมกบ H ทงสอง อะตอม เกดเปนพนธะโคเวเลนต O-H 2 พนธะ


- ระยะทางระหวางนวเคลยสทงสองทเหมาะสม เรยกวา ความยาวพนธะ (bond length) จดทมแรงดงดดมากพอและโมเลกลเสถยรมากทสด (ไมใกลเกนไปจนเกดแรงผลก และไมไกลเกนไปจนไมเกดพนธะ)

ตวอยำงควำมยำวพนธะชนดตำงๆ ในหนวย pm H-H 74 C-H 110 N-H 98 O-H 94 F-F 128 H-C 110 C-C 154 N-C 147 O-C 143 Cl-Cl 200 H-F 92 C-F 141 N-F 134 O-F 130 Br-Br 228 H-Cl 127 C-Cl 176 N-Cl 169 O-Cl 165 I-I 266 H-Br 142 C-Br 191 N-Br 184 O-Br 180 S-F 168 H-I 161 C-I 210 N-I 203 O-I 199 S-Cl 203 H-N 98 C-N 147 N-N 140 O-N 136 S-Br 218 H-O 94 C-O 143 N-O 136 O-O 132 S-S 208 H-S 132 C-S 181

C=C 134 CC 121 C=O 122 O=O 112 NN 110


9 9


- พลงงานทใชในการสลายพนธะ (bond dissociation energy, D) มคา + (ดด E)

พลงงำนกำรสลำยพนธะโดยเฉลย, D (kJ/mol) H-H 436 C-H 410 N-H 390 O-H 460 F-F 159 H-C 410 C-C 350 N-C 300 O-C 350 Cl-Cl 243 H-F 570 C-F 450 N-F 270 O-F 180 Br-Br 243 H-Cl 432 C-Cl 330 N-Cl 200 O-Cl 200 I-I 151 H-Br 366 C-Br 270 N-Br 240 O-Br 210 S-F 310 H-I 298 C-I 240 O-I 220 S-Cl 250 H-N 390 C-N 300 N-N 240 O-N 200 S-Br 210 H-O 460 C-O 350 N-O 200 O-O 180 S-S 225 H-S 340 C-S 260

C=C 611 CC 835 C=O 732 O=O 498 NN 945






พลงงานการสลายพนธะ (ดด E, คา +) = พลงงานการสรางพนธะ (คาย E, คา -)

• Lewis dot structure

Lewis dot symbols แสดงโครงสรางอเลกตรอนของอะตอม ประกอบดวย สญลกษณธาตลอมรอบดวยอเลกตรอน วงนอกของอะตอมธาตนน

ตวอยำง

หม

คาบ

Lewis structure




1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A

ns1 ns2 ns2 np1 ns2 np2 ns2 np3 ns2 np4 ns2 np5 ns2 np6

2

3

- เมออะตอมใช e- รวมกนในการเกดพนธะ covalent bond การเขยน Lewis structure จะแทนค e- ทใชรวมกนดวยจด หรอแทนดวยเสน

เชน โมเลกล H2 H : H หรอ H - H

โมเลกล F2 หรอ

หรอ F – F (ไมแสดง lone pair e-) จะเหนวา F แตละอะตอมจะม valence e- ครบ 8 ตาม octet rule

- บางโมเลกลแตละอะตอมใช e- รวมกนมากกวา 1 ค multiple bond

เชน O2 หรอ หรอ

เชน N2 หรอ หรอ

Lewis structure





- multiple bond มจ านวน e- ทใชรวมกนมากกวา single bond ดงดดนวเคลยสของสองอะตอมใหเขาใกลกนมากกวา

ดงนน ความยาวพนธะ multiple bond < single bond

พลงงานพนธะ multiple bond > single bond

เชน ความยาวพนธะค O=O ใน O2 กบ พนธะเดยว O-O ใน H2O2

ความยาวพนธะ 121 pm 148 pm

พลงงานพนธะ 498 kJ/mol 213 kJ/mol

Lewis structure




- หากคอเลกตรอนทใชรวมกนมาจากอะตอมหนงใหแกอกอะตอมหนงเพยงอยาง

เดยว coordinate covalent bond

เชน โมเลกล NH4+ เกดจาก NH3 ใหอเลกตรอนคโดดเดยวจากอะตอม N ใหแก

H+ ซงไมมอเลกตรอน

หรอ

Lewis structure




coordinate covalent bond

covalent bond


- โมเลกลหรอไอออนบางชนดม valence e- ไมเปนไปตาม octet rule ไดแก

(1) โมเลกลทม valence e- เปนเลขค เชน NO (valence e- = 11 ตว) NO2 (valence e- = 17 ตว) ClO2 (valence e- = 19 ตว)

โมเลกลเหลานจะม e- เดยว วองไวตอปฏกรยา มกรวมตวกน 2 โมเลกลเกดเปน dimer เชน 2 NO2 N2O4

(2) โมเลกลทม valence e- รอบอะตอมหนงนอยกวา 8 ไดแก สารประกอบของ Be และ B เชน BeCl2 (Be ม valence e- = 4), BF3 (B ม valence e- = 6)

โมเลกลเหลานวองไวตอปฏกรยา โดย จดเปน Lewis acid ท าปฏกรยากบสาร อนทใหคอเลกตรอน (Lewis base)

Lewis structure




เชน BF3 ท าปฏกรยากบ NH3 เกดเปน NH3BF3 (boron compound ทเสถยรเปนไปตาม octet rule)

(3) โมเลกลทม valence e- รอบอะตอมหนงมากกวา 8 เชน PCl5, SF6, ICl4-

มกเปนสารประกอบของธาตในคาบ 3 ขนไป

Lewis structure





• อะตอมของธาตชนดเดยวกน เมอเกด covalent bond เชน โมเลกล H2 หรอ F2 นวเคลยสของอะตอมทงสองดงดด e- ครวมพนธะไวดวยแรงเทาๆ กน การกระจาย e- สม าเสมอ non-polar covalent bond

• อะตอมของธาตตางชนดกน เมอเกด covalent bond เชน โมเลกล HF นวเคลยสของอะตอมทม electronegativity (EN) สงกวา จะดงดด e- ครวมพนธะ

ไดดกวาอกอะตอมหนง การกระจายความหนาแนน e- ไมเทากน polar covalent bond โดย

ดานทมกลมหมอก e- หนาแนนกวา (EN สง) จะแสดงสภาพคลายประจลบ - ดานทมกลมหมอก e- เบาบางกวา (EN ตา) จงแสดงสภาพคลายประจบวก +

+ -

+ - H - F หรอ H - F

Polar covalent bond




• ความแรงของขวพนธะ ขนอยกบความแตกตางของคา EN ระหวางอะตอมทมาเกดพนธะกน EN มาก, มขวมาก

เชน พนธะ H – F (EN: H = 2.1, F = 4.0 EN = 1.9) มขวมาก

พนธะ C – H (EN: C = 2.5, H = 2.1 EN = 0.4) มขวนอย

• โดยทวไปถา EN 2 ถอวาเปน ionic bond (เกดเปนประจบวกและลบดงดดกน) ถาต ากวา 2 ถอเปน polar covalent bond

เชน CHCl3 : พนธะ C – Cl (EN: C = 2.5, Cl = 3.0 EN = 0.5) polar covalent bond

NaCl : พนธะ Na+–Cl- (EN: Na = 1.0, Cl = 3.2 EN = 2.0) ionic bond

Polar covalent bond





• พจารณาตวอยาง โมเลกล O3 ม O 3 อะตอม, valence e- = 18 ตว พบวาเขยน Lewis structure ใหทกอะตอมครบ octet ได 2 แบบดงน

“แลวโครงสรางใดถกตอง?”

(1) (2)

- โครงสรางทงสองนสมมลกน resonance structure แตกตางกนเพยงต าแหนงของพนธะคและเดยว)

- จากการทดลอง พบวา พนธะทงสองดานมความยาวเทากน คอ 128 pm และอยระหวางความยาวพนธะค (O=O, 112 pm) และพนธะเดยว (O-O, 132 pm)

- ดงนนโครงสรางทแทจรงและตรงกบขอมลการทดลองมากทสดคอ

หรอ

resonance hybrid

Resonance structure




ตวอยำง 1 จงเขยน Lewis structure ของ NO3-

วธท า NO3- ม valence e- = N (5) + O (3x6) + ประจลบ (1) = 24 ตว

อาจเขยน Lewis structure ใหเปนไปตาม octet rule ตามขนตอนดงน

(1) N น า e- มาใชรวมกบ O แตละอะตอมเพอเกดพนธะเดยว 3 พนธะ = 6 e-

เหลอ e- อก 18 ตว ใหกระจายไปตาม O ทง 3 อะตอม อะตอมละ 6 ตว

(2) จะเหนวา N ยงม valence e- = 6 ตว อะตอม O หนง ตองให lone pair e- ในการเกดพนธะกบ N เกดเปนพนธะค และท าให valence e- รอบอะตอม N ครบ 8 ท าใหเขยน resonance structure ได 3 แบบ คอ

Resonance structure





Resonance hybrid

(จากการทดลอง N-O ทงสามพนธะมความพนธะเทากน **)

Resonance structure




• การเขยน Lewis structure จะแสดงเฉพาะ valence e- เทานน (ทงอะตอมครวมพนธะและ e- คโดดเดยว)

• โมเลกลหรอไอออนบางชนด เขยน Lewis structure ใหเปนไปตาม octet rule ไดมากกวา 1 โครงสราง

แลวโครงสรางใดถกตอง? พจารณาจาก ประจฟอรมล (Formal charge)

Formal charge = valence e- (free atom) – ½ bonding e- - nonbonding e-

ขอสงเกต - formal charge บนอะตอมแตละอะตอมไมควรมคาสง - formal charge ควรเปน – บนอะตอมทมคา EN สงสดในโมเลกล/ไอออน - ผลรวมของ formal charge ในโครงสรางจะเทากบประจของโมเลกล/ไอออนนน - อะตอมทอยตดกนตองม formal charge ไมเหมอนกน

Formal charge





จากสตร Formal charge = valence e- (free atom) – ½ bonding e- - nonbonding e-

- ตวอยางเชน NH4+ เขยน Lewis structure และค านวณ formal charge บน

อะตอมแตละอะตอมไดดงน

อะตอม H: H อะตอมอสระ valence e- = 1 bonding e- รอบอะตอม H = 2 nonbonding e- รอบอะตอม H = 0 ดงนน formal charge = 1 – ½(2) – 0 = 0

Formal charge




อะตอม N: N อะตอมอสระ valence e- = 5 bonding e- รอบอะตอม N = 8 nonbonding e- รอบอะตอม N = 0 ดงนน formal charge = 5 – ½(8) – 0 = +1

จะเหนวา ผลรวมของ formal charge ของทกอะตอมใน Lewis structure จะเทากบประจทแทจรง (formal charge รวม = 0 + 1 = +1)

Formal charge





ตวอยำง 2 จงใชแนวคดของ formal charge ในกำรพจำรณำ Lewis structure ทถกตองหรอเสถยรทสดของโมเลกล/ไอออนดงตอไปน

2.1) NCO- (cyanate ion)

เขยน Lewis structure ได 3 แบบ และค านวณ formal charge ไดดงน

formal charge -1 0 0 -2 +2 -1 0 +1 -2

โครงสรางแบบแรกควรเปนโครงสรางทถกตองทสด เนองจาก formal charge ของทกอะตอมมคานอยทสด (**สอดคลองกบผลการทดลอง)

Formal charge




2.2) N2O (nitrous oxide)

เขยน Lewis structure ได 3 แบบ และค านวณ formal charge ไดดงน

formal charge 0 +1 -1 -1 +1 0 -2 +1 +1

จะเหนวา

- formal charge ของทกอะตอมในโครงสรางท 3 (ขวาสด) มคาสงเกนไป

- โครงสรางแบบท 1 และ 2 มคา formal charge ของแตละอะตอมนอย แตคาทเปนลบควรอยบนอะตอม O มากกวา N (O ทมคา EN สงกวา N)

- โครงสรางแบบแรกจงควรเปนโครงสรางทถกตองทสด

Formal charge




พันธะเคมี (chemical bondings) · ชนิดของพันธะเคมี...

Documents