โครงสร้างอะตอมและพันธะ

หัวข้อเรื่องและงาน

1. โครงสร้างอะตอม

2. แรงยึดเหนี่ยวในอะตอม

สาระสำคัญ

อะตอม ประกอบด้วยการยึดเหนี่ยวระหว่างโปรตอน (Proton) และนิวตรอน (Neutron) จับตัวกันเป็นนิวเครียส (Nucleus) อยู่ตรงกลางซึ่งมีขนาดเล็กมาก

การเกิดแรงยึดเหนี่ยวในอะตอมของธาตุโลหะใดๆ อาจพิจารณาได้ 4 รูปแบบ คือ

1. Ionic Bond

2. Covalent Bond

3. Van de Waals Bond (The Secondary Bond)

4. Metallic Bond

สมรรถนะที่พึงประสงค์ (ความรู้ ทักษะ คุณธรรม จริยธรรม จรรยาบรรณวิชาชีพ )

1. บอกชนิดของพันธะหรือการยึดเกาะสสาร ชนิดต่าง ๆ ได้อย่างถูกต้อง

2. อธิบายลักษณะของพันธะโลหะ พันธะแรงแวนเดอร์วาลส์ พันธะไอออนนิก และพันธะโคเวเลนต์ ได้อย่างถูกต้อง

เนื้อหาสาระ

ในแต่ละวัสดุธรรมชาติที่มองเห็นจะประกอบด้วยโครงสร้างที่จับตัวกันอยู่อย่างสลับซับซ้อน

โครงสร้างผลึก (Crystal Structure) จะประกอบด้วยหน่วยเซลล์ (Unit Cells) เป็นจำนวนมาก ในแต่ละหน่วยเซลล์จะประกอบด้วยอะตอม (Atom) ที่มีจำนวนมากน้อยต่างกัน ตามลักษณะโครงสร้างของโครงสร้างแต่ละแบบและในแต่ละอะตอมจะมีพลังของการยึดเหนี่ยวระหว่างโปรตอน (Proton) และนิวตรอน (Neutron) จับตัวกันเป็นนิวเครียส (Nucleus) อยู่ตรงกลางซึ่งมีขนาดเล็กมาก

อะตอม (Atom) คือ อนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุ ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกด้วยวิธีใด ๆ ธาตุทุกชนิด ประกอบด้วยอะตอมจำนวนมาก ซึ่งอะตอมเหล่านี้ประกอบด้วย อนุภาคที่เล็กที่สุดลงไปอีก เรียกว่า โปรตอน (Proton) นิวตรอน (Neutron) และอิเลคตรอน (Electron) โปรตรอนและนิวตรอนจะจับตัวอยู่กึ่งกลางอะตอมเรียกว่า นิวเครียส (Nucleus) ส่วนอิเลคตรอนจะเคลื่อนที่อยู่ตามวงโคจรรอบ ๆ นิวเครียส โดยอิเลคตรอนที่ประจุไฟฟ้าลบ โปรตรอน เป็นประจุไฟฟ้าบวก และนิวตรอนมีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง เมื่ออะตอมเป็นอิสระ จำนวนโปรตรอนจะเท่ากับจำนวนอิเลคตรอนที่มีอยู่ในอะตอมเรียกว่า Atomic Number เช่น H = 1 , C = 6 หมายถึง คาร์บอน 1 อะตอม จะหนักโดยประมาณเป็น 6 เท่าของไฮโดรเจน 1 อะตอม มีความหมายเป็นค่าของน้ำหนักอะตอม (Atomic Weight) ของธาตุนั้น

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างอะตอม

โดยที่อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่ไปรอบๆนิวเครียส การเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนนั้น จะมีระยะแตกต่างกันเป็นชั้นๆ เรียก เชลล์ (Shell) ซึ่งในแต่ละเชลล์จะมีระดับของพลังงานแตกต่างกัน อิเลคตรอนในแต่ละเชลล์ มีจำนวนจำกัดดังรายละเอียดแสดงในตาราง a อิเลคตรอนในเชลล์นอกสุดของแต่ละธาตุโลหะเรียกว่า วาเลนช์อิเลคตรอน (Valence Electron) ซึ่งจะมีได้ไม่เกินกว่า 8 ตัว

ตาราง a : แสดงจำนวนอิเลคตรอนในแต่ละชั้น

ตาราง b : แสดงโครงสร้างอิเลคตรอนของธาตต่าง ๆ

การเกิดแรงยึดเหนี่ยวในอะตอมของธาตุโลหะใด ๆ อาจพิจารณาได้ 4 รูปแบบ คือ

1. Ionic Bond

2. Covalent Bond

3. Van de Waals Bond (The Secondary Bond)

4. Metallic Bond

lonic bond เป็นแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างอิออน (Ion) ที่มีประจุไฟฟ้า + และอิออนที่มีประจุไฟฟ้า – เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่แข็งแรง ดังนั้น สารเคมีที่มีแรงยึดเหนี่ยวแบบนี้จะมีความแข็งแรงมาก และมีจุดเดือดสูง ตัวอย่างสสารที่มีแรงยึดเหนี่ยวแบบนี้ ได้แก่ ผลึกเกลือแกง โซเดียมอิออน ซึ่งมีประจุไฟฟ้า + จะยึดเหนี่ยวกับคลอไรด์อิออน ซึ่งมีประจุไฟฟ้า – ดังสมการ Na+ + Cl- = Na+Cl-

รูปที่ 2 Ionic Bonding ระหว่างอะตอมของโซเดียม ( Na ) และคลอรีน ( Cl )

จากรูปจะเห็นว่า Na มี Valence electron ในวงนอกสุดอยู่เพียง 1 ตัว ส่วน Cl มี 7 ตัว เมื่อเกิดการรวมตัว Na จึงจ่ายอิเลคตรอนให้แก่ Cl 1 ตัว จึงแสดงอำนาจไฟฟ้า + กลายเป็นอิออนบวก (Position Ion) ส่วน Cl เมื่อได้รับอิเลคตรอนเพิ่มอีก 1 ตัว (รับจาก Na) จึงมี Valence Electron ในวงนอกสุดครบ 8 พอดี และแสดงอำนาจไฟฟ้า – เมื่อ Na+ และ Cl- มีอำนาจทางไฟฟ้าต่างกันจึงเกิดการยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิตย์ (Electrostatic Force) เกิดเป็น NaCl สสารที่ยึดเหนี่ยวในลักษณะนี้มักจะเปราะ เป็นตัวนำความร้อนที่เลว มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง

รูปที่ 3 แสดงการยึดเหนี่ยวในโครงสร้างของเกลือแกง (NaCl) และธาตุโลหะ

Covalent Bond การเกาะยึดกันในรูปแบบของ Covalent Bond นี้บางที่เรียกว่า แบบ Homopolar Bonding เป็นการยึดเหนี่ยวกันในลักษณะที่แต่ละอะตอมจะใช้อิเลคตรอนร่วมกัน (Sharing Electron) โดยในแต่ละอะตอมจะให้อิเลคตรอน 1 ตัว ไปรวมกับอะตอมอื่นแบบอาศัยซึ่งกันและกัน เช่น ในโครงสร้างอะตอมของแอมโมเนีย (NH3) หรือมีเทน (CH4)

รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างอะตอมแบบ Covalent Bonding ในโมเลกุลของแอมโมเนียและมีเทน

แรงยึดเหนี่ยวในรูปแบบของ Covalent Bonding จะทำให้ได้วัตถุธาตุที่ได้มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ การตกผลึกใหญ่ เมื่อละลายในน้ำจะได้สารละลายที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า แต่จะนำไฟฟ้าเมื่ออยู่ในสถานะ หลอมเหลว

Van de Waals Bond โครงสร้างอะตอมในลักษณะของ Van de Waals Bonding หรือแบบSecondary Bonding จะให้แรงยึดเหนี่ยวระหว่างผิวต่ำมาก มักเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของสารในกลุ่มโพลิเมอร์ เป็นเหตุให้โมเลกุลเคลื่อนที่ออกจากกันได้ง่าย ทำให้มีคุณสมบัติเป็น Thermoplastic ในรูปแบบของ Van de Waals Bond เช่นลักษณะที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมจำนวน 2 อะตอมของโมเลกุลที่อยู่ใกล้กันมีอิเลคตรอนไปรวมกันที่ตำแหน่งใด ๆ เหมือนกัน

รูปที่ 5 แสดงอะตอมของ Ar ที่เคลื่อนตัวที่ศูนย์กลางออกจากกันกลายเป็นขั้วบวก ขั้วลบ เมื่อโมเลกุลอยู่ใกล้กัน

รูปที่ 6 แสดงการเกิดกำลังยึดเหนี่ยวระหว่าง ขั้วทั้งสอง

รูปที่ 7 แสดงสมมาตรของอะตอม (b) ลักษณะ 2 ขั้ว ของอะตอม

รูปที่ 8 แสดงประจุ + และประจุ – ในโมเลกุลของไฮโดรเจนคลอไรด์

รูปที่ 9 แสดงการยึดเหนี่ยวของไฮโดรเจนในโมเลกุลของไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF)

Metallic Bond พันธะการเกิดแรงในรูปแบบของ Metallic Bonding จะปรากฎในวัสดุสารจำพวกโลหะและโลหะผสมเป็นส่วนใหญ่ มีลักษณะคล้ายกับพันธะการเกิดแรงแบบ Covalent Bonding แต่จะมีอิเลคตรอนหนึ่งหรือสองหรือ 3 ตัวที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระไม่เป็นส่วนประกอบของอะตอมใดโดยเฉพาะการเคลื่อนที่ของอิเลคตรอนแต่ละตัวจะไปรอบ ๆ อิออน (Ion) ที่มีศักยภาพทางไฟฟ้า เป็นอิออนบวกจะจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบตามลักษณะของโครงสร้างประเภทต่างๆ การที่อิเลคตรอนเคลื่อนที่ไปในส่วนของ Sea of Valence Electrons (หรือบางครั้งเรียกว่า Electron Cloud ) ได้โดยอิสระจะทำให้เกิดพันธะยึดเหนี่ยวขึ้นในเนื้อของวัสดุสารนั้นจะมีคุณสมบัตทางการนำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีสามารถนำวัสดุมาผ่านกรรมวิธี ทำให้เป็นแผ่นบาง ๆ หรือเป็นเส้นได้