พันธะเคมี (Chemical Bonding) เคมี ม.ปลาย

พันธะเคมี (Chemical Bond) คือ แรงยึดเหนี่ยวที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมเพื่อเกิดเป็นกลุ่มที่เสถียรและเป็นอิสระในระดับโมเลกุล ลักษณะเฉพาะที่สำคัญของพันธะเคมีในโมเลกุลคือจะปรากฏในบริเวณระหว่างนิวเคลียสของอะตอม ทำให้มีการเปลี่ยนแปลงพลังงานจนอยู่ในช่วงที่เหมาะสม ซึ่งอาจจะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ พันธะไอออนิก หรือพันธะโลหะ ได้ อนึ่ง การศึกษาเรื่องพันธะเคมีทำให้สามารถเข้าใจและทำนายสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารได้

กฎออกเตด ( Octet rule ) จากการศึกษาเกี่ยวกับธาตุก๊าซเฉื่อย เช่น He Ne Ar Kr พบว่าเป็นธาตุที่โมเลกุลเป็นอะตอมเดี่ยว คือในหนึ่งโมเลกุลของก๊าซเฉื่อยจะมีเพียง 1 อะตอม แสดงว่าเป็นธาตุที่เสถียรมาก ทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจที่จะค้นคว้าถึงเหตุผลที่ทำให้ธาตุเฉื่อยมีความเสถียร และจากการศึกษาโครงสร้างอะตอมของธาตุเฉื่อยมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนวงนอกสุดเหมือนกัน คือมี 8 อิเล็กตรอน(ยกเว้น He มี 2 อิเล็กตรอน) เช่น ₂He = 2 ₁₀Ne = 2 , 8 ₁₈Ar = 2 , 8 , 8 ₃₆Kr = 2 , 8 , 18 , 8 ส่วนธาตุหมู่อื่นมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด ไม่ครบ 8 เช่น

₁H = 1 ₆C = 2 , 4 ₇N = 2 , 5 ₈O = 2 , 6

ธาตุที่มีวาเลนต์อิเล็กตรอนไม่ครบ 8 ในธรรมชาติจะไม่สามารถอยู่เป็นอะตอมเดี่ยวๆได้ ซึ่งแสดงว่าไม่เสถียร ต้องรวมกันเป็นโมเลกุลซึ่งอาจจะมี 2 อะตอมหรือมากกว่า การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมตัวกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้วาเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งเป็นกฎขึ้นเรียกว่า กฎออกเตต การรวมกันเพื่อทำให้อะตอม มีวาเลนต์อิเล็กตรอนครบ 8 อาจมีลักษณะดังนี้

อะตอมใช้วาเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันเป็นคู่ๆ จะเกิด “พันธะโคเวเลนต์ “
อะตอม ให้หรือรับอิเล็กตรอน จะเกิดเป็น ” พันธะไอออนิค “
อะตอมใช้วาเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันทั้งก้อน จะเกิดเป็น ” พันธะโลหะ “

(ความแข็งแรงของพันธะ พันธะโลหะ > พันธะไอออนิค > พันธะโคเวเลนต์)

แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล

แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ( Van de waals interaction)

เนื่องจากโมเลกุลโควาเลนต์ปกติจะไม่ต่อเชื่อมกันแบบเป็นร่างแหอย่างพันธะโลหะหรือไอออนิก แต่จะมีขอบเขตที่แน่นอนจึงต้องพิจารณาแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลด้วย ซึ่งจะเป็นส่วนที่ใช้อธิบายสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลโควาเลนต์ อันได้แก่ ความหนาแน่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว หรือความดันไอได้ โดยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลนั้นเกิดจากแรงดึงดูดเนื่องจากความแตกต่างของประจุเป็นสำคัญ ได้แก่

1. แรงลอนดอน ( London Force) เป็นแรงที่เกิดจากการดึงดูดทางไฟฟ้าของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วซึ่งแรงดึงดูดทางไฟฟ้านั้นเกิดได้จากการเลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างเสียสมดุลทำให้เกิดขั้วเล็กน้อย และขั้วไฟฟ้าเกิดขึ้นชั่วคราวนี้เอง จะเหนี่ยวนำกับโมเลกุลข้างเคียงให้มีแรงยึดเหนี่ยวเกิดขึ้น ดังภาพ

ดังนั้นยิ่งโมเลกุลมีขนาดใหญ่ก็จุยิ่งมีโอกาสที่อิเลคตรอนเคลื่อนที่ได้เสียสมดุลมากจึงอาจกล่าวได้ว่าแรงลอนดอนแปรผันตรงกับขนาดของโมเลกุล เช่น F2 Cl2 Br2 I2 และ CO2 เป็นต้น 2. แรงดึงดูดระหว่างขั้ว (Dipole-Dipole interaction)เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดระหว่างโมเลกุลที่มีขั้วสองโมเลกุลขึ้นไปเป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าที่แข็งแรงกว่าแรงลอนดอน เพราะเป็นขั้นไฟฟ้าที่เกิดขึ้นอย่างถาวร โมเลกุลจะเอาด้านที่มีประจุตรงข้ามกันหันเข้าหากัน ตามแรงดึงดูดทางประจุ เช่น H2O HCl H2S และ CO เป็นต้น ดังภาพ 3. พันธะไฮโดรเจน ( hydrogen bond ) เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่มีค่าสูงมาก โดยเกิดระหว่างไฮโดรเจนกับธาตุที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลือ เกิดขึ้นได้ต้องมีปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ไฮโดรเจนที่ขาดอิเล็กตรอนอันเนื่องจากถูกส่วนที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงในโมเลกุลดึงไป จนกระทั้งไฮโดรเจนมีสภาพเป็นบวกสูงและจะต้องมีธาตุที่มีอิเลคตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลือและมีความหนาแน่นอิเลคตรอนสูงพอให้ไฮโดรเจนที่ขาดอิเลคตรอนนั้น เข้ามาสร้างแรงยึดเหนี่ยวด้วยได้เช่น H2O HF NH3 เป็นต้น ดังภาพ

พันธะโลหะ (Metallic Bond )

พันธะโลหะ (Metallic Bond ) คือ แรงดึงดูดระหว่างไออนบวกซึ่งเรียงชิดกันกับอิเล็กตรอนที่อยู่โดยรอบหรือเป็นแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดจากอะตอมในก้อนโลหะใช้เวเลนส์อิเล็กตรอนทั้งหมดร่วมกัน อิเล็กตรอนอิสระเกิดขึ้นได้ เพราะโลหะมีวาเลนส์อิเล็กตรอนน้อยและมีพลังงานไอออไนเซชันต่ำ จึงทำให้เกิดกลุ่มของอิเล็กตรอนและไอออนบวกได้ง่าย พลังงานไอออไนเซชันของโลหะมีค่าน้อยมาก แสดงว่าอิเล็กตรอนในระดับนอกสุดของโลหะถูกยึดเหนี่ยวไว้ไม่แน่นหนา อะตอมเหล่านี้จึงเสียอิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวกได้ง่าย เมื่ออะตอมของโลหะมารวมกันเป็นกลุ่ม ทุกอะตอมจะนำเวเลนซ์อิเล็กตรอนมาใช้ร่วมกัน โดยอะตอมของโลหะจะอยู่ในสภาพของไอออนบวก ส่วนเวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมดจะอยู่เป็นอิสระ ไม่ได้เป็นของอะตอมใดอะตอมหนึ่งโดยเฉพาะ แต่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ทั่วทั้งก้อนโลหะ และเนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วมาก จึงมีสภาพคล้ายกับมีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนปกคลุมก้อนโลหะนี้นอยู่ เรียกว่า ทะเลอิเล็กตรอน โดยมีไอออนบวกฝังอยู่ในกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนซึ่งเป็นลบ จึงเกิดแรงดึงดูดที่แน่นหนาทั่วไปทุกตำแหน่งภายในก้อนโลหะนั้น

สมบัติของโลหะ

สมบัติของโลหะ เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ดี เพราะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปได้ง่ายทั่วทั้งก้อนของโลหะ แต่โลหะนำไฟฟ้าได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากไอออนบวกมีการสั่นสะเทือนด้วยความถี่และช่วงกว้างที่สูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่สะดวก โลหะนำความร้อนได้ดี เพราะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ โดยอิเล็กตรอนซึ่งอยู่ตรงตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูง จะมีพลังงานจลน์สูง และอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์สูงจะเคลื่อนที่ไปยังส่วนอื่นของโลหะจึงสามารถถ่ายเทความร้อนให้แก่ส่วนอื่น ๆ ของแท่งโลหะที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้ โลหะตีแผ่เป็นแผ่นหรือดึงออกเป็นเส้นได้ เพราะไอออนบวกแต่ละไอออนอยู่ในสภาพเหมือนกันๆ กัน และได้รับแรงดึงดูดจากประจุลบเท่ากันทั้งแท่งโลหะ ไอออนบวกจึงเลื่อนไถลผ่านกันได้โดยไม่หลุดจากกัน เพราะมีกลุ่มของอิเล็กตรอนทำหน้าที่คอยยึดไอออนบวกเหล่านี้ไว้ โลหะมีผิวเป็นมันวาว เพราะกลุ่มของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้โดยอิสระจะรับและกระจายแสงออกมา จึงทำให้โลหะสามารถสะท้อนแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ โลหะมีจุดหลอมเหลวสูง เพราะพันธะในโลหะ เป็นพันธะที่เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างวาเลนซ์อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดในด้อนโลหะกับไอออนบวกจึงเป็นพันธะที่แข็งแรงมาก

พันธะไอออนิก ( Ionic bond )

พันธะไอออนิก ( Ionic bond ) หมายถึงแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดในสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่าง 2 อะตอมอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีต่างกันมาก อะตอมที่มีค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีน้อยจะให้อิเลคตรอนแก่อะตอมที่มีค่าอิเลคโตรเนกาติวิตีมาก และทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ อะตอมครบ 8 (octat rule ) กลายเป็นไอออนบวก และไอออนลบตามลำดับ เกิดแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างไอออนบวกและไอออนลบ และเกิดเป็นโมเลกุลขึ้น เช่น การเกิดสารประกอบ NaCl ดังภาพ