หน่วยที่ 4: พันธะเคมี (Chemical Bonding)
4.3 การคำนวณความเป็นขั้วและพลังงานพันธะ (Polarity and Bond Energy Calculations)
การคำนวณความเป็นขั้ว (Polarity Calculation)
ความเป็นขั้วของพันธะเคมีเกิดจากการกระจายตัวของอิเล็กตรอนที่ไม่เท่ากันระหว่างอะตอมสองตัวในพันธะโคเวเลนต์ อะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงจะดึงอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองมากกว่า ทำให้เกิดการแยกขั้วของประจุในพันธะโคเวเลนต์นั้น ๆ
การคำนวณความเป็นขั้วของพันธะโคเวเลนต์ใช้ความแตกต่างของค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีระหว่างอะตอมสองตัวในพันธะดังนี้
\[ \Delta \text{Electronegativity} = | \text{Electronegativity of Atom 1} - \text{Electronegativity of Atom 2} | \]
ตัวอย่าง ในพันธะระหว่างอะตอมของไฮโดรเจน (\(H\)) และอะตอมของคลอรีน (\(Cl\)), ค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีของ \(H\) คือ 2.1 และของ \(Cl\) คือ 3.0 ดังนั้น
\[ \Delta \text{Electronegativity} = | 2.1 - 3.0 | = 0.9 \]
ความแตกต่างของค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีนี้ชี้ให้เห็นว่าพันธะนี้เป็นพันธะโคเวเลนต์ขั้ว (Polar Covalent Bond) ซึ่งจะมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนไม่สมดุล ทำให้เกิดการแยกขั้วของประจุในพันธะนี้
เกณฑ์ในการจำแนกพันธะ
- ถ้าค่า \(\Delta \text{Electronegativity} < 0.4\), พันธะจะเป็นโคเวเลนต์ไม่ขั้ว (Non-Polar Covalent Bond)
- ถ้าค่า \(\Delta \text{Electronegativity} = 0.4 - 1.7\), พันธะจะเป็นโคเวเลนต์ขั้ว (Polar Covalent Bond)
- ถ้าค่า \(\Delta \text{Electronegativity} > 1.7\), พันธะจะเป็นไอออนิก (Ionic Bond)
การคำนวณพลังงานพันธะ (Bond Energy Calculation)
พลังงานพันธะคือพลังงานที่จำเป็นในการทำลายพันธะเคมีระหว่างอะตอมสองตัว การคำนวณพลังงานพันธะใช้ในกระบวนการคำนวณพลังงานที่ได้หรือสูญเสียในการทำปฏิกิริยาเคมี พลังงานพันธะของพันธะแต่ละประเภทจะมีค่าเฉพาะที่สามารถหาได้จากตารางมาตรฐาน ตัวอย่างเช่น
\[ \text{พลังงานพันธะ} = \sum \text{พลังงานพันธะของสารตั้งต้น} - \sum \text{พลังงานพันธะของผลิตภัณฑ์} \]
ตัวอย่าง ในปฏิกิริยาการสลายตัวของก๊าซไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (\(H_2O_2\)) เพื่อให้ได้ก๊าซน้ำ (\(H_2O\)) และออกซิเจน (\(O_2\)), พลังงานพันธะของสารประกอบต่าง ๆ สามารถคำนวณได้ดังนี้
สมการปฏิกิริยาเคมี
\[ 2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2 \]
จากตารางพลังงานพันธะ
- พลังงานพันธะของ \(O-O\) ใน \(H_2O_2\) คือ 146 kJ/mol
- พลังงานพันธะของ \(O-H\) ใน \(H_2O\) คือ 463 kJ/mol
- พลังงานพันธะของ \(O=O\) ใน \(O_2\) คือ 498 kJ/mol
การคำนวณพลังงานรวมในการเกิดปฏิกิริยา
\[ \Delta H = [2 \times (2 \times 463) + 498] - [2 \times 146] = 1846 - 292 = 1554 \, \text{kJ/mol} \]
จากการคำนวณนี้พบว่าปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน เนื่องจากพลังงานที่ได้จากการสร้างพันธะมีค่ามากกว่าพลังงานที่ใช้ในการทำลายพันธะ
การคำนวณความเป็นขั้วของพันธะโคเวเลนต์ใช้ความแตกต่างของค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีระหว่างอะตอมสองตัว ในขณะที่การคำนวณพลังงานพันธะช่วยให้เราทราบพลังงานที่ได้หรือสูญเสียจากการทำปฏิกิริยาเคมี ทั้งสองการคำนวณนี้มีความสำคัญในการทำนายสมบัติและพลังงานของสารประกอบเคมี
