Page 1
Rajamangala University of Technology Phra Nakhon
Ionic bond Covalent bond Metallic bond
These subjects will be presented according to the curriculum of Chemistry for Engineers (02-411-103)
Faculty of Science and Technology, RMUTP
iamworavith Dr.Woravith Chansuvarn Lasted update: Jan 2015
พนธะเคม
Page 2
2
แผนการสอนและการเรยนร
จดประสงคการเรยนร อธบายพนธะไอออนก อธบายพนธะโคเวเลนซ อธบายพนธะโลหะ
บทเรยน 4.1 แรงยดเหนยวภายในโมเลกล
การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบยอยรายหนวย
Page 3
เอกสารประกอบการสอน
หนงสอ โครงการต าราวทยาศาสตรและคณตศาสตร มลนธ สอวน. 2547. เคม (เคมค านวณ อะตอม ตารางธาต พนธะเคม), กรงเทพฯ: บรษทดานสทธาการพมพ จ ากด.
อนทรา หาญพงษพนธ และ บญชา พลโภคา. 2545. เคมทวไป ส าหรบนสตวศวกรรมศาสตร. กรงเทพฯ: ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.
อภสฏฐ ศงสะเสน, สรณนรนทร บงเกดผล และอาทตย สกลตนตเมธา. 2554. เคมทวไปส าหรบวศวกร. กรงเทพฯ: บรษท ทรฟเพล กรป จ ากด.
Brown L.S. and Holme H.E., 2006. Chemistry for Engineering Students, 2nd ed., Canada. Chang R. and Goldsby K.A., 2013. Chemistry, 7th ed., New York: McGraw-Hill. Silberberg M.S. 2013. Principle of General Chemistry, New York: McGraw-Hill.
3
เอกสารประกอบการสอน หนวยท 4 http://www.slideshare.net/woravith/rmutp-chemical-bonds
เวบไซตแนะน า http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry1/chemical_bonding/chemical_bonding_home.htm
Page 4
แรงยดเหนยวทเกดขนระหวางอะตอมสองอะตอมในโมเลกล หรอเปนแรงทเกดขนระหวางอะตอมของสองโมเลกล
พนธะเคมเกดขนไดแตกตางกน มผลใหโมเลกลหรอสารประกอบทเกดขนนนมรปแบบและสมบตทแตกตางกนไปดวย
การเกดพนธะเคมเกยวของกบอเลกตรอนทระดบชนพลงงานนอกสดเทานน
4
Page 5
ทบทวน เวเลนซอเลกตรอน - อเลกตรอนวงนอกสด
5
เวเลนซอเลกตรอนคอ อเลกตรอนทอยชนระดบพลงงานนอกสด
electron
valence electron L-Shell
nucleus
Electronegativity (EN) - คาแสดงความสามารถในการดงอเลกตรอนเขาหาตวเองของธาต
Page 6
Lewis dot symbols
6
อเลกตรอนวงนอกสดของธาตเรพรเซนเททฟ (หม A) ทงหมด จะมจ านวนเทากบเลขหมของธาต
Page 7
กฎออกเตต การเกดพนธะเคมระหวางอะตอมเกยวของกบอเลกตรอนวงนอกสด โดยมแนวโนมทระดบพลงงานชนสดทายพยายามเปลยนแปลง ใหมจ านวนอเลกตรอนวงนอกสดครบ 8 ตว เชนเดยวกบแกสมสกล
7
Page 8
พนธะไอออนก
8
เปนแรงยดเหนยวระหวางไอออนประจบวกและไอออนประจลบ
... ..... .. ..F F....Li + Li
+ -
1s2 2s1 1s2 2s2 2p5 1s2 1s2 2s2 2p6
ผลตางคา EN ระหวางธาตทเกดพนธะ > 2 พนธะเกดระหวางธาตโลหะกบอโลหะ เกดการถายเทอเลกตรอนจากโลหะใหแกอโลหะ > Electrostatic
attraction
Page 9
9
+Na + : Cl [Na ] + [:Cl :]
Page 10
อะตอมทใหอเลกตรอนมกเปนธาตโลหะ ท าใหโลหะนนมประจบวก และอะตอมทรบอเลกตรอนมกเปนอโลหะ จงมประจลบ อะตอมทสญเสย e- กลายเปน ไอออนบวก (cation) อะตอมทรบ e- กลายเปน ไอออนลบ (anion)
เกดจากแรงดงดดระหวางไอออนทประจไฟฟาตางกน เปนเหตใหพนธะไอออนกคงอย ไดอยางเสถยร
สารทเกดจากพนธะไอออนกเรยกวา สารประกอบไอออนก
10
Page 11
พลงงานแลตทซ (พลงงานโครงผลก) พลงงานแลตทซ คอพลงงานทคายออกมาเมอไอออนบวกและไอออนลบในสถานะแกสรวมตวกนเปนผลกไอออนก 1 โมล พลงงานแลตทซบอกถงเสถยรภาพของผลกไอออนก ผลกไอออนกทมคาพลงงานแลตตซมากแสดงวามพนธะไอออนกทแขงแรง ผลกมเสถยรภาพมาก
11
... ..... .. ..F F....Li + Li
+ -+ Lattice Energy
Page 12
วฏจกรบอรน-ฮาเบอร การหาพลงงานแลตทซของผลกไอออนกไมสามารถหาไดโดยตรง ค านวณหาพลงงานแลตทซไดโดยวธออมเปนขนตอนตามวฏจกรบอรน-ฮาเบอร โดยตองรคาเอนทลปมาตรฐานของการเกด (standard enthalpy of formation; Hf
o) ซงคานเปนการเปลยนแปลงความรอนทเกดจากการทธาตองคประกอบท าปฏกรยากนเพอเกดเปนสารประกอบจ านวน 1 โมล ทอณหภม 25C ความดน 1 atm
12
Page 13
Born-Haber : NaCl
พลงงานแลตทซ พลงงานการระเหด
พลงงานการสลายพนธะ
พลงงานไอออไนเซชน สมพรรคภาพอเลกตรอน
13
Page 14
พลงงานแลตทซของการเกดผลก NaCl
ขนท 1 พลงงานการระเหด (Hsub) Na(s) Na+(g) (Hsub=107.3 kJ/mol) ขนท 2 พลงงานการสลายตวของ Cl2 (Hdis) Cl2(g) 2Cl(g) (Hdis=244 kJ/mol) ½ Cl(g) Cl(g) (Hdis=122 kJ/mol) ขนท 3 พลงงานไอออไนเซชน (IE) Na(g) Na+(g) + e- (IE=495.8 kJ/mol) ขนท 4 พลงงานสมพรรคภาพอเลกตรอน (EA) Cl(g) + e- Cl-(g) (EA=-349 kJ/mol) ขนท 5 พลงงานแลตทซ Na+(g) + Cl-(g) NaCl(s) (Hlattice)
14
Page 15
15
Hfo = Hsub + Hdis + HIE + HEA + Hlatice
Hlatice= Hfo - Hsub - Hdis - HIE - HEA
= -410.9 - 107.3 - 122 - 495.8 – (-349) = -788 kJ พลงงานแลตทซของการเกดผลก NaCl เทากบ 788 kJ/mol
Hfo ของ NaCl = -410.9 kJ/mol
Page 17
สมบตของสารประกอบไอออนก
17
มสถานะของแขงทอณหภมหอง ไมน าไฟฟา
สถานะสารละลาย สามารถน าไฟฟาไดด มจดเดอด จดหลอมเหลวสง ละลายไดดในตวท าละลายทมขว เปราะ แตกหกงาย ปฏกรยาของสารประกอบไอออนกเกดขนไดเรว
http://chewtychem.wiki.hci.edu.sg
www.atom.rmutphysics.com
Page 18
18
http://chewtychem.wiki.hci.edu.sg
www.atom.rmutphysics.com
Page 19
สตรและการเรยกชอสารประกอบไอออนก
การเขยนสตรไอออนก เขยนไอออนประจบวกตามดวยประจลบ (ไมตองมขดแสดงแขนพนธะ)
เขยนอยในรปของสตรสดสวนลงตวเสมอ ผลรวมของประจของไอออนบวกและไอออนลบจะตองมคาเทากบศนย
19
Page 20
ประจไอออน
20
ประจไอออนบวกและไอออนลบ = เลขออกซเดชนของธาต บางธาตสามารถมประจไดมากกวา 1 คา บางธาตเปนไดทงประจบวกและประจลบ
+1 +2 -3 -2 -1
Page 21
การเขยนสตรไอออนก
21
Page 22
การอานชอ-ไอออนบวก
22
อานตามชอธาตเดม
Page 23
การอานชอ-ไอออนลบ
23
อานเปลยนค าลงทาย เปน –ide เรยกชอเฉพาะ / ชอสามญ
Page 24
การอานชอ-สารประกอบไอออนก
24
Page 25
พนธะโคเวเลนซ พนธะทเกดจากอะตอมตงแต 2 อะตอม น าอเลกตรอนวงนอกสดมาใชรวมกนในจ านวนเทาๆ กน เวเลนซอเลกตรอนทใชในการสรางพนธะ เรยกวา อเลกตรอนครวมพนธะ (bonded-pair electron)
เวเลนซอเลกตรอนทไมไดใชในการสรางพนธะ เรยกวา อเลกตรอนคโดดเดยว (lone-pair electron)
25
อเลกตรอนครวมพนธะ
Page 26
เกดจากธาตทมคา EN ใกลเคยงกน
26
.. ... ..... ..... . .. ..
..F ....
+ หรอF F F.. F F
.. ..+H H H H หรอ H H
อเลกตรอนครวมพนธะ
อเลกตรอนคโดดเดยว
Page 27
การเกดพนธะโคเวเลนซ
27
แรงผลกและแรงดงดดทสมดลกนระหวางอะตอมทงสอง
เกดแรงผลกระหวางอเลกตรอนของแตละอะตอม แรงผลกระหวางนวเคลยสของแตละอะตอม แรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนของอะตอมทงสอง
Page 28
Covalent : H2
28
ความยาวพนธะ H-H
Page 29
ชนดพนธะโคเวเลนซ พนธะเดยว (single bond) > ใชอเลกตรอนรวมกน 1 ค H2O
พนธะค (double bond) > ใชอเลกตรอนรวมกน 2 ค CO2
พนธะสาม (triple bond) > ใชอเลกตรอนรวมกน 3 ค N2
29
... ..... ..H HH O O..H
.. .. ..... ... ..O O ..C O C O
.. ........N N N N
Page 30
พนธะโคออรดเนตโคเวเลนซ
30
“อะตอมของธาตหนงเปนผ ใหอเลกตรอนคแกอกอะตอมหนงทมออรบทลวางสามารถคอเลกตรอนได”
อะตอมทใหอเลกตรอนค เรยกวา electron paired donor อะตอมทรบอเลกตรอนค เรยกวา electron paired acceptor ผ รบคอเลกตรอนตองมออรบทลวางส าหรบรบอเลกตรอนครวมพนธะเพอเกดเปนพนธะโคเวเลนซ
Page 31
31
Coordination covalent
NHH
H
B
F
FF NH
H
H
B
F
FF
Page 32
สตรโครงสรางโมเลกล
32
สตรแบบจด สตรแบบเสน
การเขยนสตรโครงสรางโมเลกลอาศยโครงสรางอเลกตรอนของลวอสเรยกวา สตรโครงสรางของลวอส
Page 33
สตรโครงสรางลวอส ขนท 1 ก าหนดอะตอมกลาง และอะตอมลอมรอบอะตอมกลาง
ขนท 2 รวมจ านวนเวเลนซอเลกตรอนทงหมดของทกอะตอม
ขนท 3 กระจายคอเลกตรอน ระหวางธาต ขนท 4 กระจายอเลกตรอนทเหลอ ตามกฎออกเตต
ขนท 5 เขยนเสนแทนอเลกครวมพนธะ
33
N = 5, F = 7x3 =21 จ านวน e = 26
: : :
: : : : : : :
: :
: : :
:
:
Page 34
สภาพขวของพนธะ
34
สภาพขวของพนธะเกดขนจากกลมหมอกอเลกตรอนกระจายตวอยางไมเทากน เรยกวา ไดโพลโมเมนต โดยบรเวณทมอเลกตรอนหนาแนนมากกวาจะประพฤตตวเปนประจลบเลกนอย (-)
สวนบรเวณทมความหนาแนนอเลกตรอนนอยกวาจะประพฤตตวเปนประจบวกเลกนอย (+)
แนวโนมการกระจายตวและความหนาแนนของอเลกตรอนรอบนวเคลยสพจารณาจากคา EN
Page 35
สภาพขวของพนธะ
35
ความหนาแนนของอเลกตรอนรอบนวเคลยส
Page 36
สภาพขวของพนธะ พนธะไมมขว คอสภาพขวของพนธะโคเวเลนซทเกดจากอะตอมของธาตชนดเดยวกน (คา EN เทากน) เชน H–H, Cl-Cl
36
พนธะมขว คอสภาพขวของพนธะทเกดขนเมออเลกตรอนทใชรวมกนกระจายระหวาง 2 อะตอมไมเทากน เนองมาจากอะตอมทงสองมคา EN ตางกน เชน H2O, HF • อะตอมทมคา EN มากกวาจะมสภาพขวไฟฟา
เปนลบเลกนอย (เขยนแทนดวย -) • อะตอมทมคา EN นอยกวาจะมสภาพขวไฟฟา
เปนบวกเลกนอย (เขยนแทนดวย +)
EN นอย EN มาก
(2.1) (4.0)
Page 37
สภาพขวของโมเลกล
37
1) โมเลกลไมมขว (non-polar molecule) คอผลรวมของไดโพลโมเมนต () เทากบ 0 เกดจากพนธะทไมมขว เชน H2, Cl2, N2, O2 เกดจากพนธะทมขว เชน CO2, SO3, CCl4, CH4
2) โมเลกลมขว (polar) คอผลรวมของไดโพลโมเมนตไมเทากบ 0 ประกอบดวยพนธะทมขวและเปนโมเลกลมขว เชน NH3, H2O, CH3Cl, SO2
OO C
HH
O....
= 0
= 1.87
Page 38
โมเลกลไมมขว โมเลกลทมขว
BF3 CH4
38
Page 39
ความยาวพนธะ
39
“ระยะทางระหวางนวเคลยสของอะตอมสองอะตอมขณะเขาใกลกนไดมากทสดดวยแรงยดเหนยว”
ความยาวพนธะเฉลย
Page 41
มมพนธะ กลมหมอกอเลกตรอนพยายามอยหางกนมากทสดเพอใหมแรงผลกระหวาง
กนนอยทสด โมเลกลจะมความเสถยรสง โมเลกลลดแรงผลกระหวางกลมหมอกอเลกตรอนของแตละพนธะไดโดย
การเบนมมพนธะออกหางกนใหมากทสด มมพนธะ บอกถงรปรางโมเลกล
41
Page 42
รปรางโมเลกล แบบจ าลองการผลกกนของคอเลกตรอนในวงเวเลนซ (Valence
Shell Electron Pair Repulsion) หรอเรยกสนๆวา “แบบจ าลอง VSEPR”
1) โมเลกลทไมมอเลกตรอนคโดดเดยว AXm 2) โมเลกลทมอเลกตรอนคโดดเดยว AXmEn
42
A เปนอะตอมกลาง X เปนลอมรอบ m คอจ านวนอะตอม X E แทนอเลกตรอนคโดดเดยว n คอจ านวนอเลกตรอนคโดดเดยว
Page 44
พนธะโลหะ แรงดงดดระหวางไอออนบวกทเรยงชดกนกบอเลกตรอนทอยโดยรอบเปนแรงยดเหนยวทอะตอมโลหะใชเวเลนซอเลกตรอนทงหมดรวมกน
พนธะโลหะเกดไดเพราะโลหะมคา IE ต า จงเสยเวเลนซอเลกตรอนไดงาย ซงกลายเปนไอออนบวก ไอออนบวกจงเกดแรงยดเหนยวกบเวเลนซอเลกตรอนทงหมด
44
Page 45
ทฤษฎแบบจ าลองทะเลอเลกตรอน อเลกตรอนเคลอนทไปมารอบๆ อะตอมของโลหะไดเสมอนวาอเลกตรอนเปนของอะตอมทกตว อเลกตรอนเหลานท าหนาทคลายซเมนตทชวยยดไอออนของโลหะใหอยในต าแหนงทคงท
45
กลมหมอกอเลกตรอนปกคลมกอนโลหะ เสมอนไอออนบวกของโลหะฝงอยในกลมหมอกอเลกตรอน จงเกดแรงดงดดทแนนหนาทวไปทกต าแหนงภายในกอนโลหะ
Page 46
ทฤษฎแถบพลงงาน
โลหะมจ านวนอะตอมมากมาย ออรบทลเชงอะตอมของแตละอะตอมรวมกนเปนออรบทลเชงโมเลกลทมจ านวนเทาเดม
ระดบพลงงานของออรบทลเชงโมเลกลอยใกลกนมากจงเกดการเชอมตอเนองขนเปนแถบ
46
Page 47
แถบ 2s เรยกวา แถบเวเลนซ (valence band) แถบ 2p เรยกวาแถบการน า (conduction band) ชองวางระหวางแถบเวเลนซกบแถบการน าวา บรเวณตองหาม (forbidden zone)
47
Page 48
กจกรรม
ท ากจกรรม 4.1 ตอนท 1 ท ากจกรรม 4.1 ตอนท 2 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน ท าแบบฝกหด
48
Page 49
49
แผนการสอนและการเรยนร
จดประสงคการเรยนร อธบายแรงแวนเดอรวาลส อธบายแรงดงดดระหวางขว อธบายพนธะไฮโดรเจน
บทเรยน 4.2 แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล
การวดผลการเรยนร กจกรรมและแบบฝกหด สอบยอยรายหนวย
Page 50
เอกสารประกอบการสอน
หนงสอ โครงการต าราวทยาศาสตรและคณตศาสตร มลนธ สอวน. 2547. เคม (เคมค านวณ อะตอม ตารางธาต พนธะเคม), กรงเทพฯ: บรษทดานสทธาการพมพ จ ากด.
อนทรา หาญพงษพนธ และ บญชา พลโภคา. 2545. เคมทวไป ส าหรบนสตวศวกรรมศาสตร. กรงเทพฯ: ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย.
อภสฏฐ ศงสะเสน, สรณนรนทร บงเกดผล และอาทตย สกลตนตเมธา. 2554. เคมทวไปส าหรบวศวกร. กรงเทพฯ: บรษท ทรฟเพล กรป จ ากด.
Brown L.S. and Holme H.E., 2006. Chemistry for Engineering Students, 2nd ed., Canada. Chang R. and Goldsby K.A., 2013. Chemistry, 7th ed., New York: McGraw-Hill. Silberberg M.S. 2013. Principle of General Chemistry, New York: McGraw-Hill.
50
เอกสารประกอบการสอน หนวยท 4 http://www.slideshare.net/woravith/rmutp-chemical-bonds
เวบไซตแนะน า http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/ap-chemistry1/chemical_bonding/chemical_bonding_home.htm
Page 51
แรงแวนเดอรวาลส
51
แรงดงดดระหวางโมเลกลออนๆ โดยเกดจากแรงดงดดระหวางขว อนเนองมาจากประจไฟฟาทมขนาดเลกๆ
แรงแวนเดอรวาลสมคาพลงงานนอยมาก แรงแวนเดอรวาลส
แรงไดโพล-ไดโพล แรง dipole induced dipole แรงลอนดอน
Page 52
แรงไดโพล-ไดโพล
แรงยดเหนยวทเกดจากการกระท าระหวางโมเลกลทมขวสองโมเลกลขนไป
โมเลกลทมไดโพลโมเมนตแบบถาวรจะเอาดานทมประจตรงขามหนเขาหากนตามแรงดงดดทางประจไฟฟา
โมเลกลโคเวเลนซทมขว (แตไมเกดพนธะไฮโดรเจน) ขวทตางกนจะเกดแรงดงดดกนไดอยางออนๆ เชน HCl, H2S, CO
52
แรงไดโพล-ไดโพล
Page 53
แรง dipole-induced dipole
แรงยดเหนยวทเกดจากโมเลกลทมขวเหนยวน าใหโมเลกลทไมมขว เกดมขวขนชวคราว
53
แรง dipole-induced dipole ระหวาง H2O กบ O2
โมเลกลมขว โมเลกลไมมขว
Page 54
แรงลอนดอน เปนแรงดงดดระหวางโมเลกลทไมมขวดวยกน อเลกตรอนมากระจกตวกนอยบรเวณเดยวกน ท าใหเกดประจลบชวคราวบางสวน (มคาประจนอยมาก -)
บรเวณทไมมอเลกตรอนอยเกดประจบวกชวคราวบางสวน (มคาประจนอยมาก +)
ประจไฟฟาชวคราวทเกดขนเหนยวน าใหโมเลกลขางเคยงเกดแรงยดเหนยว
54
Page 55
พนธะไฮโดรเจน แรงดงดดทเกดจากระหวางโมเลกลทม H เปนองคประกอบสองโมเลกล อะตอมของ H สามารถสรางพนธะโคเวเลนซกบอะตอมของธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวต (EN) สงๆ
55
โมเลกล H2O
EN = 2.1 EN = 3.5
Page 56
56
โมเลกลโคเวเลนซทเกดพนธะไฮโดรเจนไดจะมจดเดอดสงกวาทโมเลกลทไมเกดพนธะโคเวเลนซ
โมเลกลของ H2O เกดพนธะไฮโดรเจนได สวน H2S H2Se และ H2Te ไมเกดพนธะไฮโดรเจน
Page 57
กจกรรม
ท ากจกรรม 4.2 ตอนท 1 ท ากจกรรม 4.2 ตอนท 2 อภปรายแลกเปลยนความรระหวางกลมเพอนและผสอน ท าแบบฝกหด
57