พันธะเคมี
พันธะเคมีเกิดขึ้นเมื่อมีแรงดึงดูดระหว่างอะตอมไอออนหรือโมเลกุล ถ้าพันธะเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบที่แตกต่างกันสององค์ประกอบหรือมากกว่าผลลัพธ์ก็คือสารประกอบทางเคมี พันธะเคมีมีหลายประเภท พันธบัตรบางชนิดมีความแข็งแรงมากในขณะที่พันธะอื่นค่อนข้างอ่อนแอ คุณสมบัติของพันธะเฉพาะพร้อมกับลักษณะที่สร้างขึ้นจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แม่นยำของอะตอมหรือโมเลกุลที่เกี่ยวข้องในกระบวนการสร้างพันธะ
พันธะเคมีทุกชนิดมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกันโดยไม่คำนึงถึงชนิดของพันธะเคมี พวกเขาทั้งหมดเป็นหนี้การดำรงอยู่ของพวกมันไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อมกับแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตที่มีอยู่ระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียสของอะตอมกับอิเล็กตรอนที่มีประจุลบรอบ ๆ อะตอมที่อยู่ใกล้ที่สุด
ในช่วงศตวรรษที่สิบเก้านักเคมีได้จัดองค์ประกอบที่รู้จักกันในเวลานั้นตามวิธีที่พวกมันเชื่อมประสานทางเคมีกับองค์ประกอบอื่น ๆ พวกเขาพบว่าองค์ประกอบกลุ่มหนึ่ง (องค์ประกอบที่เรารู้จักกันในปัจจุบันว่าเป็นก๊าซมีตระกูล ) มักจะพบได้ในธรรมชาติในรูปแบบของธาตุ
อะตอมขององค์ประกอบของก๊าซมีตระกูลดูเหมือนจะไม่รวมเข้ากับอะตอมของธาตุอื่น ๆ - หรือแท้จริงแล้วซึ่งกันและกัน ในที่สุดก็มีการค้นพบว่าองค์ประกอบเดียวกันนี้ล้วนมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน - พวกมันทั้งหมดนอกเหนือจากฮีเลียมแล้วยังมีอิเล็กตรอนแปดตัวอยู่ในเปลือกนอกสุด (ฮีเลียมเป็นข้อยกเว้นเนื่องจากมีอิเล็กตรอนทั้งหมดเพียงสองตัว)
บทบาทของเวเลนซ์อิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนในเปลือกนอกของอิเล็กตรอนอะตอมเป็นที่รู้จักกันอิเล็กตรอน พวกมันมีระดับพลังงานสูงกว่าและอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากกว่าอิเล็กตรอนอื่น ๆ เป็นผลให้พวกมันถูกผูกไว้กับนิวเคลียสเพียงเล็กน้อยและใช้พลังงานค่อนข้างน้อยในการแยกพวกมันออกจากอะตอมแม่ เป็นเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับพันธะเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอม
อะตอมที่มีอิเล็กตรอนแปดมีเปลือกนอกอิเล็กตรอนประกอบด้วยหนึ่งของวงโคจรและสามพี orbitals ซึ่งแต่ละมีสองอิเล็กตรอน ในโครงร่างนี้อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพลังงานน้อยกว่าที่ควรจะมีและค่อนข้างแน่นหนากับนิวเคลียสของอะตอม สิ่งนี้ทำให้อะตอมมีการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียรมาก
พันธะเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมมักเกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนหรือแบ่งปันอิเล็กตรอน โครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม - ซึ่งกำหนดโดยจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่มีอยู่ - จึงจะกำหนดว่าอะตอมจะผูกมัดกับอะตอมอื่นได้มากเพียงใด ตามกฎทั่วไปแล้วอะตอมขององค์ประกอบทั้งหมดนอกเหนือจากก๊าซมีตระกูลมีศักยภาพที่จะยึดติดกับอะตอมอื่นได้
อะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงหนึ่งหรือสองตัวมีแนวโน้มที่จะละทิ้งอิเล็กตรอนเหล่านั้นเมื่อพวกมันสร้างพันธะเคมีกับอะตอมอื่นเพื่อให้ได้เปลือกนอกที่เสถียร ในทางกลับกันอะตอมที่ต้องการเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงหนึ่งหรือสองตัวเพื่อให้ได้รูปแบบของก๊าซมีตระกูลมีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะกับอะตอมอื่นซึ่งทำให้พวกมันได้รับอิเล็กตรอนที่ขาดหายไป
ปฏิกิริยาเคมีโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับกระบวนการสร้างพันธะระหว่างอะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปซึ่งแต่ละอะตอมจะได้โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียร โมเลกุลหรือหน่วยสูตรที่เป็นผลลัพธ์ยังมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียรและระดับพลังงานในอะตอมที่เข้าร่วมจะต่ำกว่าที่จะเป็นของอะตอมในสถานะที่ไม่ถูกผูกไว้
พันธะโควาเลนต์
ในโมเลกุลของไฮโดรเจนอะตอมของไฮโดรเจนสองตัวจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์
พันธะโควาเลนต์เกิดขึ้นในสารธาตุหลายชนิด ในบางองค์ประกอบพันธะโควาเลนต์สามารถมีการกำหนดค่าที่แตกต่างกันได้ ด้วยเหตุนี้รูปแบบที่แตกต่างกันขององค์ประกอบเดียวกันจึงถูกสร้างขึ้นซึ่งอาจมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก สายพันธุ์เหล่านี้เป็นที่รู้จักกันallotropes Allotropismเป็นสมบัติขององค์ประกอบทางเคมีที่มีอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกันสองรูปแบบขึ้นไปในสถานะทางกายภาพเดียวกัน (เช่นของแข็งของเหลวหรือก๊าซ)
คาร์บอนของธาตุมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในเปลือกวาเลนซ์ เพื่อให้ได้รูปแบบที่มีเสถียรภาพมันจะต้องได้รับอิเล็กตรอนสี่ตัวหรือสูญเสียอิเล็กตรอนสี่ตัว การสูญเสียอิเล็กตรอนสี่ตัวอย่างสมบูรณ์หรือได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มอีกสี่ตัวจะทำให้อะตอมของคาร์บอนมีประจุลบหรือบวกที่แข็งแกร่งมากซึ่งอาจทำให้มันอยู่ในสถานะที่ไม่เสถียรแม้ว่าจะมีเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกที่สมบูรณ์ก็ตาม การแบ่งปันอิเล็กตรอนผ่านพันธะโควาเลนต์ช่วยขจัดปัญหานี้
allotropes ที่รู้จักกันดีของธาตุคาร์บอน ได้แก่เพชรและกราไฟท์ อัลโลทรอปเหล่านี้มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก ในเพชรแต่ละอะตอมของคาร์บอนจะใช้อิเล็กตรอนวงนอกทั้งสี่ร่วมกับคาร์บอนอีกสี่อะตอมเพื่อสร้างโครงสร้างผลึกเหมือนที่แสดงไว้ด้านล่าง
พันธะโควาเลนต์จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออะตอมที่เกี่ยวข้องอยู่ใกล้กันมากพอที่จะแบ่งปันอิเล็กตรอนในเปลือกนอกของมัน เพชรถูกสร้างขึ้นเมื่อคาร์บอนจำนวนหนึ่งแต่ละอะตอมสร้างพันธะโควาเลนต์สี่พันธะกับคาร์บอนที่อยู่ใกล้เคียงสี่อะตอมซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิและความดันสูงมาก เพชรที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติส่วนใหญ่เกิดขึ้นลึกลงไปในเสื้อคลุมของโลก
ในเพชรอิเล็กตรอนทั้งหมดในเปลือกนอกของอะตอมของคาร์บอนเกี่ยวข้องกับพันธะโควาเลนต์ ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระเพื่ออำนวยความสะดวกในการนำกระแสไฟฟ้า (ซึ่งก็คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ) เพชรจึงไม่นำไฟฟ้าซึ่งแตกต่างจากคาร์บอน - กราไฟต์ทั่วไป
ในกราไฟท์อะตอมของคาร์บอนจะสร้างพันธะโควาเลนต์สามพันธะกับคาร์บอนอีกสามอะตอม ด้วยเหตุนี้กราไฟต์จึงรวมตัวกันเป็นเครือข่ายสองมิติของอะตอมของคาร์บอนที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอมซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างผลึกของเพชรโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างของกราไฟท์ประกอบด้วยหลายชั้นของเครือข่ายสองมิติเหล่านี้ซึ่งมักเรียกกันว่าแผ่นกราฟีน
ภายในแผ่นกราฟีนแต่ละแผ่นอะตอมของคาร์บอนจะถูกยึดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแรง แต่พันธะระหว่างแผ่นกราฟีนแต่ละแผ่นประกอบด้วยกองกำลังไฟฟ้าสถิต (van der Waals) ที่ค่อนข้างอ่อน แผ่นจึงเลื่อนทับกันได้ค่อนข้างง่าย คุณสมบัตินี้ทำให้กราไฟต์มีประโยชน์ในการเป็นน้ำมันหล่อลื่น กราไฟท์ยังเป็นไส้ดินสออีกด้วย!
ในแกรไฟต์มีอิเล็กตรอนเพียงสามในสี่ตัวในเปลือกนอกของคาร์บอนอะตอมเท่านั้นที่เกี่ยวข้องกับพันธะโคเวเลนต์ อิเล็กตรอนตัวที่สี่มีอิสระที่จะเคลื่อนที่ไปมาระหว่างชั้นกราฟีน ทำให้กราไฟต์เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมซึ่งแตกต่างจากเพชร
คาร์บอนยังสร้างพันธะโควาเลนต์กับองค์ประกอบอื่น ๆ - อันที่จริงสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบบนโลกของเรามีพื้นฐานมาจากคาร์บอน สารประกอบคาร์บอนที่พบบ่อยมากคือมีเธน ( CH 4 ) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อคาร์บอนอะตอมหนึ่งสร้างพันธะโควาเลนต์กับไฮโดรเจนสี่อะตอม อะตอมของไฮโดรเจนแต่ละอะตอมต้องการอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเพื่อทำให้เปลือกนอกสมบูรณ์ในขณะที่คาร์บอนต้องการอิเล็กตรอนสี่ตัว
โปรดสังเกตว่าพันธะโควาเลนต์ที่เราเห็นจนถึงตอนนี้เป็นพันธะโคเวเลนต์เดี่ยวที่เกิดจากการจับคู่ของอิเล็กตรอนตัวเดียวจากแต่ละอะตอม บางครั้งอิเล็กตรอนสองตัวจากแต่ละอะตอมจะถูกใช้ร่วมกันในพันธะโควาเลนต์คู่ (นี่คือพันธะชนิดที่พบในโมเลกุลของออกซิเจน) แม้จะมีการเกิดพันธะโควาเลนต์สามคู่ซึ่งมีอิเล็กตรอนร่วมกันสามคู่ (ตัวอย่างเช่นในโมเลกุลไนโตรเจน) โดยทั่วไปพันธะโควาเลนต์คู่สั้นและแข็งแรงกว่าพันธะโควาเลนต์เดี่ยวและพันธะโควาเลนต์สามพันธะสั้นและแข็งแรงกว่าพันธะโควาเลนต์เดี่ยวหรือคู่
ในแผนภาพที่ใช้ในการแสดงพันธะโควาเลนต์ระหว่างสองอะตอมอิเล็กตรอนร่วมกันมักจะแสดงอยู่ในพื้นที่ที่ทับซ้อนกันระหว่างอะตอมทั้งสอง (โมเลกุลของไฮโดรเจนที่เราเห็นก่อนหน้านี้เป็นตัวอย่างที่ดี) อย่างไรก็ตามในความเป็นจริงอิเล็กตรอนร่วมกันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงและสามารถพบได้ทุกที่รอบนิวเคลียสในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง
ในพันธะโควาเลนต์บางพันธะอิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดอย่างมากไปยังนิวเคลียสของอะตอมหนึ่งมากกว่าอีกอะตอมและจะใช้เวลากับนิวเคลียสของอะตอมนั้นมากขึ้น พันธะโควาเลนต์ซึ่งพฤติกรรมแบบนี้เกิดขึ้นเรียกว่าพันธะโควาเลนต์เชิงขั้วเนื่องจากอะตอมที่อิเล็กตรอนร่วมใช้เวลาอยู่มีความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน (หรืออิเล็กโทรเนกาติวิตี ) มากกว่าอะตอมอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับพันธะ
โมเลกุลของน้ำ ( H 2 O ) เป็นตัวอย่างที่ดีของพันธะโคเวเลนต์เชิงขั้ว ในน้ำพันธะโควาเลนต์ก่อตัวขึ้นระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอมกับออกซิเจนอะตอมเดี่ยว แต่โปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียสของอะตอมออกซิเจนมีแรงดึงดูดมากกว่าสำหรับอิเล็กตรอนร่วมมากกว่าโปรตอนเดี่ยวในไฮโดรเจนทั้งสองตัว อะตอม อิเล็กตรอนร่วมกันจึงใช้เวลารอบนิวเคลียสของอะตอมออกซิเจนมากกว่าที่ทำรอบนิวเคลียสของไฮโดรเจนทั้งสองอะตอม
ผลสุทธิของโพลาไรซ์นี้คือการให้ออกซิเจนที่ปลายโมเลกุลมีประจุลบเล็กน้อยและไฮโดรเจนจะสิ้นสุดประจุบวกเล็กน้อยแม้ว่าโมเลกุลจะเป็นกลางทางไฟฟ้าโดยรวม โมเลกุลจะกลายเป็นไดโพลได้อย่างมีประสิทธิภาพ(ไดโพลคือประจุไฟฟ้าคู่หนึ่งที่มีขนาดเท่ากัน แต่มีขั้วตรงข้ามคั่นด้วยระยะทางเล็กน้อย)
โมเลกุลของน้ำมีพันธะโควาเลนต์สองขั้ว
ในพันธะไอออนิกเช่นเดียวกับพันธะโคเวเลนต์อิเล็กตรอนมีบทบาทในการทำให้อะตอมที่เข้าร่วมมีเปลือกนอกที่สมบูรณ์ ซึ่งแตกต่างจากพันธะโควาเลนต์อย่างไรก็ตามอิเล็กตรอนในพันธะไอออนิกจะไม่ใช้ร่วมกันระหว่างสองอะตอม แต่อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง
อะตอมที่ให้ขึ้นอิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนประจุบวกที่รู้จักกันเป็นไอออนบวก อะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนประจุลบเรียกว่าประจุลบ พันธะเคมีที่เกิดขึ้นเกิดจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตที่ไอออนที่มีประจุตรงข้ามกันมีต่อกันและกัน
พันธะไอออนิกมักเกิดขึ้นระหว่างอะตอมของธาตุจากกลุ่มที่หนึ่งและสิบแปดของตารางเพอโรดิก องค์ประกอบในกลุ่มที่หนึ่งเช่นโซเดียมและโพแทสเซียมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว การเลิกใช้อิเล็กตรอนนี้จะทำให้พวกมันมีเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกเต็ม
ในทางกลับกันธาตุกลุ่มที่สิบแปดเช่นคลอรีนและฟลูออรีนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเจ็ดตัว ดังนั้นพวกเขาจึงต้องได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มอีกหนึ่งตัวเพื่อให้ได้อิเล็กตรอนชั้นนอกที่สมบูรณ์
ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างองค์ประกอบ (ปฏิกิริยาสูง) ของทั้งสองกลุ่มนี้ส่งผลให้สารประกอบทางเคมีที่เสถียรเช่นโซเดียมคลอไรด์ (เกลือทั่วไป) ซึ่งเป็นสารประกอบผลึกที่สร้างขึ้นเมื่ออะตอมของโซเดียมและคลอรีนเท่ากัน อะตอมโซเดียมกลายเป็นประจุบวกโซเดียมไอออนในขณะที่อะตอมคลอรีนกลายเป็นประจุลบคลอไรด์ไอออน
โปรดสังเกตว่าภายในโครงสร้างผลึกที่ได้จะไม่มีการจัดเรียงไอออนบวกและลบเป็นคู่กัน แต่แต่ละไอออนถูกล้อมรอบด้วยไอออนค่าใช้จ่ายตรงข้ามในสามมิติผลึกตาข่าย ตัวอย่างเช่นในโซเดียมคลอไรด์โซเดียมไอออน ( Na + ) แต่ละตัวจะถูกล้อมรอบด้วยไอออนคลอไรด์ ( Cl- ) หกตัว ในทำนองเดียวกันคลอไรด์อิออนแต่ละตัวล้อมรอบด้วยโซเดียมหกไอออน
องค์ประกอบที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเจ็ดตัวจะมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าองค์ประกอบอื่น ๆ (อิเล็กโทรเนกาติวิตีคือความสามารถของอะตอมในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมอื่น) ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอนและกลายเป็นประจุลบ สิ่งที่ตรงกันข้ามคือธาตุที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวเช่นโซเดียม พวกมันมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยกว่าองค์ประกอบอื่น ๆ ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็นประจุบวก
แม้ว่าพันธะไอออนิกจะแข็งแรง แต่ก็ไม่แข็งแรงเท่าพันธะโควาเลนต์และสามารถแตกหักได้ง่ายภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสม สารประกอบไอออนิกมีแนวโน้มที่จะแยกตัวออก (แยกเป็นไอออนที่เป็นส่วนประกอบ) ในน้ำเช่นเนื่องจากไอออนบวกและลบถูกดึงดูดอย่างมากไปยังขั้วลบและขั้วบวกของโมเลกุลน้ำ (โมเลกุลของน้ำมีขั้ว - ดูด้านล่าง) ซึ่งกันและกัน.
พันธะโลหะ
พันธะโลหะตามชื่อคือพันธะชนิดหนึ่งที่มักเกิดขึ้นในโลหะ พันธะโลหะเกิดขึ้นระหว่างอะตอมของธาตุโลหะเพื่อสร้างของแข็งโลหะ มันแตกต่างจากพันธะโคเวเลนต์ทั้งสอง (ซึ่งอิเล็กตรอนอยู่ร่วมกันระหว่างสองอะตอม) และพันธะไอออนิก (ซึ่งอะตอมหนึ่งบริจาคอิเล็กตรอนให้กับอีกอะตอมหนึ่ง)
ในโลหะอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่าในแต่ละอะตอมมีพลังงานเพียงพอที่จะแยกตัวออกจากอะตอมแม่ของมัน สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดการสร้างไอออนของโลหะที่มีประจุบวกซึ่งล้อมรอบด้วย "ทะเล" ชนิดหนึ่งของอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ อิเล็กตรอนอิสระหรือแบบแยกส่วนเหล่านี้ใช้ร่วมกันระหว่างอะตอมของโลหะ พวกมันจับไอออนเข้าด้วยกันคล้ายกาว
แม้ว่าอิเล็กตรอนแบบแยกส่วนที่มีประจุลบจะถูกดึงดูดไปยังไอออนของโลหะที่มีประจุบวก แต่อิเล็กตรอนแบบแยกส่วนตัวเดียวจะไม่เกี่ยวข้องกับอะตอมใดอะตอมหนึ่ง ในความเป็นจริงครั้งใดครั้งหนึ่งมันสามารถเชื่อมโยงกับไอออนของโลหะจำนวนมากได้ พันธะโลหะนี้เป็นสิ่งที่ทำให้โลหะมีคุณสมบัติเฉพาะซึ่งเราจะพูดถึงที่อื่นในส่วนนี้
แรงยึดเหนี่ยวลอนดอน
เนื่องจากการกระจายของเวเลนซ์อิเล็กตรอนภายในอะตอมมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาพันธะระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอซึ่งสร้างขึ้นระหว่างโมเลกุลใกล้เคียงเนื่องจากแรงกระจายของลอนดอนจึงมีอายุสั้นมาก ถึงกระนั้นก็อาจส่งผลที่สำคัญได้
เมื่อก๊าซเย็นตัวลงพลังงานจลน์จะลดลง ในบางจุดจะไม่มีพลังงานจลน์เพียงพอที่จะเอาชนะแม้แต่พันธะที่อ่อนแอซึ่งสร้างขึ้นโดยกองกำลังกระจายลอนดอนซึ่งจะสามารถผูกโมเลกุลเข้าด้วยกันในสถานะของเหลวได้ หากของเหลวถูกทำให้เย็นลงอีกพลังงานจลน์ของมันจะลดลงอย่างต่อเนื่องและในที่สุดแรงการกระจายจะทำให้ของเหลวแข็งตัวและกลายเป็นของแข็ง
แม้แต่ก๊าซมีตระกูลเช่นอาร์กอนซึ่งมีเปลือกอิเล็กตรอนชั้นนอกเต็มก็จะกลั่นตัวเป็นของเหลวได้ถ้าคุณทำให้มันเย็นลงอย่างเพียงพอ ระดับที่อะตอมสามารถเป็นโพลาไรซ์ได้โดยกองกำลังกระจายลอนดอน (เรียกว่าpolarisability ) จะเพิ่มขึ้นตามขนาดอะตอมเนื่องจากในอะตอมที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะไม่เกาะติดกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนาดังนั้นจึงสามารถสร้างไดโพลชั่วคราวได้ดีกว่า ว่าทำไมอาร์กอนควบแน่นที่อุณหภูมิสูงมาก ( -186 ° C ) กว่าฮีเลียม ( -272 ° C ) แม้ว่าองค์ประกอบทั้งสองเป็นก๊าซเฉื่อย
แรงกระจายของลอนดอนมักเป็นแรงดึงดูดเพียงอย่างเดียวระหว่างโมเลกุลที่ไม่มีขั้วเช่นเดียวกับของไฮโดรคาร์บอนและเนื่องจากแรงนั้นอ่อนแอและมีระยะเวลาสั้นโมเลกุลสองโมเลกุลจึงต้องอยู่ใกล้กันมากจึงจะมีผล ความแข็งแรงของพันธะระหว่างโมเลกุลที่สร้างขึ้นโดยกองกำลังการกระจายจึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ผิวที่พวกมันสามารถทำงานได้ซึ่งขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของโมเลกุล
แม้ว่าไฮโดรคาร์บอน neopentane และn -pentane ทั้งสองมีสูตรทางเคมีเหมือนกัน ( C 5 H 12 ) พวกเขามีโครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันดังแสดงด้านล่าง nโมเลกุล -pentane มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ที่ช่วยให้ลอนดอนกองกำลังกระจายตัวในการสร้างโมเลกุลพันธบัตรที่แข็งแกร่งระหว่างเพื่อนบ้านnโมเลกุล -pentane เป็นผลให้n -pentane มีจุดเดือดสูงกว่านีโอเพนเทนอย่างมีนัยสำคัญ
เราเห็นข้างต้นว่าอะตอมที่มีพันธะโควาเลนต์ร่วมอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้อิเล็กตรอนชั้นนอกที่สมบูรณ์ ถ้าอะตอมที่มีส่วนร่วมในพันธะไม่ใช่อิเล็กโทรเนกาติวิตีอย่างเท่าเทียมกันเราจะมีพันธะโคเวเลนต์เชิงขั้วซึ่งอิเล็กตรอนร่วมใช้เวลาส่วนใหญ่รอบนิวเคลียสของอะตอมอิเลโทรเนกาติวิตีส่วนใหญ่ เป็นผลให้โมเลกุลที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการพันธะกลายเป็นขั้ว ปลายด้านหนึ่งของโมเลกุลมีประจุลบขนาดเล็กและปลายอีกด้านหนึ่งมีประจุบวกเล็กน้อย
โมเลกุลที่มีพันธะโควาเลนขั้วโลกจะเรียกว่าขั้วโมเลกุล โดยรวมแล้วมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่การแยกประจุภายในโมเลกุลจะเปลี่ยนเป็นไดโพลได้อย่างมีประสิทธิภาพเช่นเดียวกับโมเลกุลของน้ำที่เราเห็นด้านบน ถ้าโมเลกุลสองขั้วอยู่ใกล้กันมากพอปลายด้านบวกของโมเลกุลหนึ่งจะถูกดึงดูดไปที่ปลายด้านลบของโมเลกุลอื่น
พันธะไฮโดรเจน
พันธะไฮโดรเจนเป็นกรณีพิเศษของปฏิสัมพันธ์ไดโพล - ไดโพล พันธบัตรไฮโดรเจนเกิดขึ้นเมื่ออะตอมไฮโดรเจนที่ถูกผูกมัด covalently อะตอมอิเล็กตรอนสูงเช่นไนโตรเจน , ออกซิเจนหรือฟลูออรีน (อะตอมนี้เป็นที่รู้จักในฐานะผู้บริจาคโปรตอน ) จะถูกดึงดูดไปยังอีกอะตอมอิเล็กตรอนสูง (ที่รู้จักกันใบเสร็จโปรตอน ) อยู่บริเวณใกล้เคียง พันธะไฮโดรเจนสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งระหว่างโมเลกุลและภายในโมเลกุลเดี่ยว (เชิงซ้อน)
พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำสองตัว ( H 2 O )
ภาพประกอบด้านบนแสดงพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำสองโมเลกุล ในโมเลกุลของน้ำอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนแต่ละตัวจะถูกดึงดูดอย่างมากไปยังอะตอมของออกซิเจนที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง เป็นผลให้มันใช้เวลารอบนิวเคลียสของอะตอมออกซิเจนนานกว่าที่มันทำรอบนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน ดังนั้นอะตอมของไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจึงมีประจุบวกสุทธิในขณะที่อะตอมของออกซิเจนมีประจุลบสุทธิ
ความแตกต่างของประจุนี้หมายความว่าโมเลกุลของน้ำเป็นไดโพลดังนั้นเราอาจคาดหวังว่าพันธะเชิงขั้วจะเกิดขึ้นระหว่างพวกมัน อย่างไรก็ตามโปรดจำไว้ว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนมีขนาดเล็กมากมีมวลประมาณหนึ่งในสิบหกของอะตอมออกซิเจน เป็นผลให้ค่าใช้จ่ายสุทธิบวกในอะตอมไฮโดรเจนมีค่อนข้างสูงค่าความหนาแน่น
เมื่อโมเลกุลของน้ำสองโมเลกุลอยู่ใกล้กันเพียงพอหนึ่งในอะตอมของไฮโดรเจนที่มีประจุบวกซึ่งเป็นของโมเลกุลของน้ำ (เช่นผู้บริจาคโปรตอน ) จะถูกดึงดูดอย่างมากไปยังอะตอมออกซิเจนที่มีประจุลบซึ่งเป็นของโมเลกุลของน้ำอื่น ( ตัวรับโปรตอน )
พันธะไฮโดรเจนไม่แข็งแรงเท่าพันธะไอออนิกหรือโควาเลนต์ แต่มีความแข็งแรงมากกว่าพันธะทุติยภูมิประเภทอื่นเนื่องจากความหนาแน่นของประจุไฟฟ้าสูงของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งจะเพิ่มความแข็งแรงของแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับพันธะ
เมื่อโมเลกุลของน้ำก่อตัวขึ้นเวเลนซ์อิเล็กตรอนสองในหกตัวของมันจะเข้าร่วมในพันธะโควาเลนต์กับไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมซึ่งแต่ละโมเลกุลสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลอื่นได้ สิ่งนี้ทำให้อะตอมของออกซิเจนมีอิเล็กตรอนอิสระ 2 คู่ซึ่งทั้งสองอย่างนี้สามารถมีส่วนร่วมในพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลอื่นได้ โมเลกุลของน้ำเดี่ยวสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลอื่น ๆ ได้ถึงสี่โมเลกุล
ในภาชนะที่เต็มไปด้วยน้ำโมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำอื่น ๆ อีกสี่โมเลกุลดังที่แสดงด้านล่าง เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนนั้นอ่อนกว่าพันธะโควาเลนต์อย่างมีนัยสำคัญอย่างไรก็ตามพันธะเหล่านี้จะแตกและเปลี่ยนรูปใหม่ ประมาณหนึ่งทำให้ค่าเฉลี่ยของจำนวนพันธะไฮโดรเจนต่อโมเลกุลของน้ำในเวลาใดก็ตามที่3.59
โมเลกุลของน้ำสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำอื่น ๆ ได้ถึงสี่โมเลกุล
มีพันธะเคมีระดับกลางหลายชนิดที่ไม่ได้อยู่ในประเภทใดประเภทหนึ่งที่กล่าวถึงข้างต้นอย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่นพันธะโควาเลนต์เกี่ยวข้องกับอะตอมสองอะตอมที่ใช้อิเล็กตรอนคู่หนึ่งร่วมกันในขณะที่พันธะไอออนิกอะตอมของโลหะจะสละอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นไปยังอะตอมที่ไม่ใช่โลหะ ในความเป็นจริง แต่ทั้งหมดของพันธบัตรเหล่านี้มีบางตัวละครโควาเลนต์ในแง่ที่ว่าอิเล็กตรอนจะยังคงร่วมกันระหว่างอะตอมที่เข้าร่วมโครงการ
ระดับที่พันธะเฉพาะเป็นไอออนิกหรือโควาเลนต์ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างอะตอมทั้งสอง อิเล็กโตรเนกาติวิตีจำไว้ว่าคือระดับที่อะตอมสามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมอื่นได้ ยิ่งความแตกต่างของอิเล็กโตรเนกาติวิตีมากเท่าไหร่ธรรมชาติของพันธะก็จะมีค่าไอออนิกมากขึ้นเท่านั้น
ไม่สามารถวัดค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของอะตอมได้โดยตรง มันคำนวณจากคุณสมบัติทางอะตอมหรือโมเลกุลอื่น ๆ โดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งที่มีอยู่ มักจะกำหนดค่าโดยใช้มาตราส่วน Paulingซึ่งตั้งชื่อตามนักเคมีชาวอเมริกันLinus Carl Pauling (1901-1994) ซึ่งเสนอครั้งแรกในปีพ. ศ. 2475
ขนาดเป็นมิติ (มันไม่ได้มีหน่วย) และมีค่าต่ำสุดของ0.0และมูลค่าสูงสุด4.0 มันขึ้นอยู่กับการคำนวณพลังงานพันธะสำหรับองค์ประกอบต่าง ๆ ในพันธะโคเวเลนต์ กฎง่ายๆข้อหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปทำนายว่าพันธะที่สร้างขึ้นระหว่างอะตอมของธาตุสองธาตุที่แตกต่างกันจะเป็นไอออนิกในธรรมชาติถ้าความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างพวกมันคือ1.7หรือมากกว่า มิฉะนั้นจะเป็นโควาเลนต์ในธรรมชาติ
เพื่อที่จะใช้ตัวอย่างเช่นค่าอิเล็กสำหรับโซเดียมได้รับการคำนวณเป็น0.93ในขณะที่ค่าอิเล็กสำหรับคลอรีนได้รับการคำนวณเป็น3.16 สิ่งนี้ทำให้เกิดความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างองค์ประกอบทั้งสองนี้เป็น2.23ซึ่งบ่งชี้ว่าพันธะเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมของโซเดียมและคลอรีนจะเป็นไอออนิกอย่างมากในธรรมชาติ
credit http://www.technologyuk.net/science/matter/chemical-bonding.shtml
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น