general chemistry พันธะเคมี ·...

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)