พลังงานพันธะ  (bond energy) 

                การสร้างพันธะเคมีเป็นกระบวนการที่จะทำให้อะตอมมีความเสถียรขึ้นกว่าเดิม  ความเสถียรมีความสัมพันธ์กับระดับพลังงานของอะตอม  อะตอมที่มีพลังงานต่ำจะเสถียรกว่าอะตอมที่มีพลังงานสูง      การสร้างพันธะเคมีจะเกิดขึ้นพร้อมการคายพลังงานจำนวนหนึ่งออกมา   จึงมีผลให้อะตอมที่สร้างพันธะเคมีแล้วจะมีพลังงานต่ำกว่าก่อนการสร้างพันธะ  จึงมีความเสถียรเพิ่มขึ้น  แต่ถ้าอะตอมใดมีพลังงานต่ำอยู่แล้วก็ไม่จำเป็นต้องสร้างพันธะ  เช่น  อะตอมของธาตุหมู่  8A   พลังงานที่คายออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะเรียกว่าพลังงานพันธะ (Bond energy)   ให้สังเกตว่ามีหน่วยเป็น  kJ/mol  หรือ MJ/mol  คำว่า  mol  หมายถึงสิ่งใด ๆ จำนวน  6.02 x 10²³ อนุภาค    นักวิทยาศาสตร์มีข้อตกลงว่าพลังงานพันธะของพันธะต่าง ๆ  ให้คิดจากพลังงานที่คายออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะนั้น ๆ  จำนวน  6.02 x 10²³  พันธะ  หรือ  1  โมลพันธะ  หน่วยของพลังงานจึงมีคำว่า ...../ โมล  กำกับไว้  ดังตัวอย่าง

              ถ้าต้องการทราบว่าเมื่อมีการสร้างพันธะนั้น ๆ เพียง  1  พันธะจะมีการคายพลังงานเท่าไร  ก็สามารถคิดได้จากนำพลังงานพันธะนั้น ๆ หารด้วย 6.02 X 10²³  เช่น  พลังงานที่คายออกมาจากการสร้างพันธะ H-H เพียง  1  พันธะ 
จะมีค่าเท่ากับ  436 / 6.02 x 10²³ =  71.76  X 10^-24  kJ  =  7.176 x 10^-23  kJ

                ในทางกลับกันเมื่อต้องการแยกสลายพันธะต่าง ๆ  เพื่อทำให้อะตอมแยกออกจากกันไป  กลายเป็นอะตอมอิสสระไม่มีพันธะ  ก็จะต้องใช้พลังงานเท่ากับพลังงานที่คายออกมาเมื่อมีการสร้างพันธะนั้น ๆ   คืนกลับเข้าไป   พันธะก็จะแยกสลายออกเป็นอะตอมอิสสระอีกครั้งหนึ่งและอะตอมจะมีพลังงายสูงตามเดิม    เมื่อเขียนในรูปสมการเคมีจะเป็นดังนี้

**  การสร้างพันธะแสดงด้วยสมการเคมี  ดังนี้

                       2H(g)   → H₂(g)  +  432  kJ/mol
          หรือ       H(g) + H(g)  →  H-H(g)  +  432  kJ/mol
**  ความหมายของสมการเคมีนี้ก็คือ  อะตอมของ  H  ในภาวะก๊าซจำนวน  2  โมลอะตอม  คือ 2(6.02 x 10²³)  อะตอม  สร้างพันธะกันเป็นโมเลกุลของ  H₂  จำนวน  1  โมลโมเลกุล  คือ  6.02 x 10²³ โมเลกุล   คายพลังงานออกมา  432  kJ

          ** ถ้าใช้สัญลักษณ์   แทนพลังงานที่คายออกมา  จะเป็นดังนี้  ; 2H(g)   →  H₂(g)  ,   = - 432  kJ/mol
                (เครื่องหมายลบหมายความว่าคายพลังงาน  ไม่ใช่ค่าเป็นลบ)

**  การสลายพันธะแสดงด้วยสมการเคมี  ดังนี้
                   H₂(g)  +  432  kJ/mol  →  2H(g)
        หรือ     H-H(g)  +  432  kJ/mol    →  H(g)  +  H(g)
**  ความหมายของสมการเคมีนี้ก็คือ  โมเลกุลของ  H₂  ในภาวะก๊าซจำนวน  1  โมเลกุล  คือ  6.02 x 10²³ โมเลกุล   เมื่อได้รับพลังงาน  432  kJ   ทำให้แยกสลายพันธะ  กลายเป็นอะตอมของ  H 
จำนวน  2  โมลอะตอม  คือ 2(6.02 x 10²³)  อะตอม 
       ** ถ้าใช้สัญลักษณ์ ΔH  แทนพลังงานที่เกี่ยวข้อง  จะเป็นดังนี้  ; H₂(g)   →  2H(g))  , ΔH  = + 432  kJ/mol

          (เครื่องหมาย + แสดงว่าเป็นการดูดพลังงานเข้าไป)
                พลังงานพันธะเป็นพลังงานศักย์รูปแบบหนึ่ง  กล่าวกันว่าพลังงานทั้งหลายในโลกของเรานี้ (ยกเว้นนิวเคลียร์)  เป็นพลังงานงานที่มีต้นกำเนิดมาจากดวงอาทิตย์  แสดงว่าว่าพลังงานจาก
น้ำมันและก๊าซธรรมชาติ  ถ่านหิน  ถ่านจากไม้  พลังงานน้ำจากเขื่อน   พลังงานจากลม...  ต้นกำเนิดของพลังงานก็คือดวงอาทิตย์     ถ้าไม่เข้าใจกระบวนการทางพันธะเคมี  ก็จะไม่ทราบว่าเป็นไปได้
อย่างไร  อธิบายได้ดังนี้
                เริ่มต้นจากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช  แสงอาทิตย์มีพลังงานมากแต่เราเก็บเอาไว้โดยตรงไม่ได้  เช่น  เก็บแสงสว่างเอาไว้ใช้ตอนกลางคืนไม่ได้  แต่กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
ของพืชจะเก็บพลังงานแสงอาทิตย์เอาไว้ในพันธะที่มีอยู่ในโมเลกุลของ  C₆H₁₂O₆  ดังรูป

                C₆H₁₂O₆  มีโครงสร้างโมเลกุล  2  แบบ  ความแตกต่างอยู่ที่หมู่  -OH  ที่  C  อะตอมหมายเลข  1  แบบซ้ายเรียกว่า  alpha  glucose  โครงสร้างนี้เมื่อเป็นน้ำตาลเชิงซ้อนจะเป็นแป้ง (starch) 
ดังรูป

  สำหรับกลูโคสที่มีโครงสร้างโมเลกุลดังรูปด้านขวา  เรียกว่า  beta glucose  โครงสร้างนี้เมื่อเป็นน้ำตาลเชิงซ้อน  จะเป็นเซลลูโลส (cellulose)  ดังรูป



                นอกจากนี้แล้วพืชยังสามารถผลิตน้ำมันและโปรตีนรวมทั้งสารชีวโมเลกุลชนิดอื่น ๆ ได้ด้วย  สิ่งที่พืชผลิตหรือสังเคราะห์ขึ้นมาได้นี้  เมื่อเป็นอาหารของสัตว์ก็จะถ่ายเทไปสะสมอยู่ในร่างกายของสัตว์  และมีอีกจำนวนมากที่กระบวนการในร่างกายของสัตว์ผลิตขึ้นได้อีก    เมื่อสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ถูกฝังกลบ (จะด้วยเหตุผลใดก็ตาม) อยู่ใต้พื้นโลกในภาวะที่ขาด  O₂  สารชีวโมเลกุลจะแปรสภาพเป็นก๊าซธรรมชาติและปิโตรเลียม  ซากพืชอาจเปลี่ยนเป็นถ่านหิน   เป็นแหล่งพลังงานสำคัญของโลก  แต่จะเห็นได้ว่าพลังงานเหล่านี้มีจุดเริ่มต้นมาจากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช  แล้วเก็บพลังงานแสงเอาไว้ในรูปของพลังงานพันธะ  จึงกล่าวได้ว่าพลังงานต่าง ๆ ที่ใช้กันอยู่ในโลกเป็นพลังงานที่ได้จากดวงอาทิตย์  กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชอาจแสดงด้วยสมการเคมีอย่างง่าย  ดังนี้

                ยังถือว่าเป็นเรื่องยากที่จะทำความเข้ากระบวนการนี้ในขณะนี้  แต่เป็นสิ่งที่ทำความเข้าใจได้และก็จะต้องเข้าใจให้ได้ด้วย  ก่อนอื่นต้องทราบความหมายของสมการเคมีเสียก่อน   สมการมีความหมายว่า  ก๊าซ  CO₂  ทำปฏิกิริยากับ  H₂O  ได้  C₆H₁₂O₆  และ  ก๊าซ  O₂  กระบวนการนี้เป็นความสามารถพิเศษของพืช    สัตว์รวมทั้งมนุษย์ทำไม่ได้   เพราะกระบวนการของมนุษย์เมื่อทำให้น้ำกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์รวมตัวกัน  สิ่งที่ได้จะเป็นน้ำโซดาหรือน้ำอัดลมเท่านั้น 

                สิ่งที่จะต้องทำความเข้าใจให้ถูกต้องก็คือ  การกล่าวถึงปริมาณของสารแต่ละชนิดในสมการเคมี   ให้สังเกตตัวเลขที่อยู่ด้านหน้าของสารแต่ละชนิดว่าเป็นเลขอะไร  ถ้าไม่มีตัวเลขให้ถือว่ามีเลข  1  ใช้ตัวเลขดังกล่าวในการบอกปริมาณของสารแต่ละชนิดในปฏิกิริยานั้น ๆ  ซึ่งมี  2  แบบ  คือ  บอกด้วยจำนวนโมเลกุลและบอกด้วยจำนวนโมล (mole)   จากสมการแสดงการสังเคราะห์ด้วยแสงของพิช  ถ้าบอกปริมาณสารด้วยจำนวนโมเลกุลจะเป็นดังนี้ 

ถ้าบอกปริมาณสารด้วยจำนวนโมลจะเป็นดังนี้

**  คำว่าโมล (mole)  เป็นหน่วยที่ใช้บอกปริมาณสารจำนวนมาก ๆ  สาร  1  โมลหมายถึงสารที่มีจำนวนอนุภาคเท่ากับ  6.02 x 10²³  อนุภาค  เรียกตัวเลขนี้ว่าเลขอาโวกาโดร (คำว่าอนุภาคอาจหมายถึงจำนวนโมเลกุล  จำนวนอะตอมหรือจำนวนไอออน  หรืออื่น ๆ ก็ได้   จำนวนโมลของสารยังสามารถเปลี่ยนเป็นน้ำหนัก  หรือเปลี่ยนเป็นปริมาตรสำหรับสารที่เป็นก๊าซก็ได้

การที่พลังงานที่คายออกมามีน้อยกว่าพลังงานที่ดูดเข้าไป    จึงมีพลังงานส่วนหนึ่งเหลืออยู่  พลังงานส่วนที่เหลือจะเก็บเอาไว้ในรูปพลังงานพันธะ  อยู่ใน  C₆H₁₂O₆  และ  O₂
                C₆H₁₂O₆  เป็นต้นกำเนิดของอาหารหลายหมู่  คือคาร์โบไฮเดรต  ไขมัน  โปรตีน  และวิตามิน  ยกเว้นเกลือแร่  สำหรับ  O₂  ใช้ในกระบวนการหายใจของทั้งพืชและสัตว์   การหายใจเป็นการนำ  O₂  เข้าไปเพื่อสันดาปกับ C₆H₁₂O₆  คือทำปฏิกิริยากับ  C₆H₁₂O₆  กลายเป็น  CO₂  และ  H₂O  ซึ่งก็คือปฏิกิริยาย้อนกลับของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง  พลังงานแสงอาทิตย์ที่เก็บเอาไว้ในพลังงานพันธะก็จะถูกปล่อยออกมา  ดังสมการ 

       การเกิดปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ  จะประกอบด้วยการสลายพันธะในสารตั้งต้น  (ดูดพลังงาน)  และมีการสสร้างพันธะกันใหม่เป็นสารผลิตภัณฑ์ (คายพลังงาน)    พลังงาน  2  ส่วนที่กล่าวนี้จะมีค่าไม่เท่ากัน  ทำให้จำแนกปฏิกิริยาในเชิงพลังงานได้  2  ประเภท  คือ
                1.  ปฏิกิริยาดูดพลังงานหรือปฏิกิริยาดูดความร้อน (Endothermic reaction)  คือปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเพื่อใช้สลายพันธะในสารตั้งต้น  มากกว่าพลังงานที่คายเมื่อสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์  ; ΔH  ใช้เครื่องหมาย +

                2.   ปฏิกิริยาคายพลังงานหรือปฏิกิริยาคายความร้อน (Exothermic reaction)  คือปฏิกิริยาที่ดูดพลังงานเพื่อใช้สลายพันธะในสารตั้งต้น  น้อยกว่าพลังงานที่คายเมื่อสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์  ; ΔH  ใช้เครื่องหมาย –

การคำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
            การคำนวณหาค่าพลังงานของปฏิกิริยาเคมีใด ๆ  มีขั้นตอนดังนี้
                1.  เขียนสมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น
                2.  เขียนสูตรโครงสร้างลิวอิส  เพื่อแสดงพันธะในสารแต่ละชนิดของปฏิกิริยา
                3.  แทนค่าพลังงานพันธะของพันธะต่าง ๆ  ตามสูตรลิวอิสที่เขียนขึ้น 
                     -  พลังงานของสารที่อยู่ทางซ้ายของสมการ  เป็นพลังงานที่ดูดเข้าไปจากภายนอก  ใช้สัญลักษณ์ว่า  H₁  หรือ
                      ΔH₁  และใช้เครื่องหมาย +  ในการแสดงค่าพลังาน
                     -  พลังงานของสารที่อยู่ทางขวามือของสมการ  เป็นพลังงานที่คายออกมาสู่ภายนอก  ใช้สัญลักษณ์ว่า  H₂  หรือ
                      ΔH₂  และใช้เครื่องหมาย -  ในการแสดงค่าพลังาน       

            4.  นำพลังงานจากข้อ  3  มารวมกัน (นำเครื่องหมาย + หรือ – ของพลังงานมาด้วย)
                     -  เรียกผลรวมของพลังงานว่า  พลังงานของปฏิกิริยา ( Heat of reaction ; H  คือ  enthalpy  เช่นเดียวกับในเรื่อง
                      สารไอออนิก)
                                                ΔH   =  ΔH₁  +  ΔH₂

                     - ถ้าพลังงานที่ดูดจากภายนอกมากกว่าพลังงานที่คาย  ปฏิกิริยาจะเป็นชนิดดูดความร้อน  H ใช้เครื่องหมาย +
                     -  ถ้าพลังงานที่ดูดจากภายนอกน้อยกว่าพลังงานที่คาย  ปฏิกิริยาจะเป็นชนิดคายความร้อน  H  ใช้เครื่องหมาย -

           
ตัวอย่าง   จงคำนวณหาพลังงานของปฏิกิริยา (H )  ของปฏิกิริยา  2H₂  +  O₂  →  2H₂O
                  กำหนดพลังงานพันธะ  หน่วยเป็น  kJ/mol  ดังนี้  ;  H – H  =  436 , O=O = 499 , O-H = 463

วิธีทำ 

            ขั้นที่  1  เขียนสูตรลิวอิสเพื่อแสดงพันธะของสารแต่ละชนิดในปฏิกิริยา
                    (ปฏิกิริยา)     2H₂      +      O₂       →        2H₂O
                 (สูตรลิวอิส)   2(H-H)    +   O=O      →    2(H-O-H)
                                      2(H-H)    +   O=O      →     4(H-O)
            ขั้นที่ 2  แทนค่าพลังงานพันธะ  และรวมพลังงานแต่ละด้าน
                                    2(436)    +   499          →    4(463)
                                        872      +   499         →     1,852

                                               1,371                 →     1,852   
                                                (ΔH₁ )                       (ΔH₂  )

   (พลังงานทางซ้ายคือ ΔH₁ ใช้เครื่องหมาย +)    →   (พลังงานทางขวาคือ  ΔH₂  ใช้เครื่องหมาย - )
            ขั้นที่ 3  คำนวณพลังงานของปฏิกิริยา
                                    ΔH       =  ΔH₁  +  ΔH₂
                                                =  + 1,371 + (-1,852)

                                                =  - 481  kJ ตอบ
                ค่า  ΔH   ของปฏิกิริยามีค่าเป็นลบ  หมายความว่าปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน  ปริมาณความร้อนจะแปรผันตรงกับปริมาณสารที่ทำปฏิกิริยากัน 
ถ้าดูจากสมการและค่าที่คำนวณจะเห็นว่า  เมื่อใช้  H₂  จำนวน  2  โมล  ทำปฏิกิริยากับ  O₂  จำนวน  1 โมล  ได้  H₂O  จำนวน  2  โมล  จะคายความร้อน    481  kJ
* ถ้าเพิ่มปริมาณสารเป็น  2  เท่า  พลังงานที่คายจะเพิ่มเป็น  2  เท่าเช่นกัน

             เมื่อใช้  H₂  จำนวน  4  โมล  ทำปฏิกิริยากับ  O₂  จำนวน  2 โมล  ได้  H₂O  จำนวน  4  โมล  จะคายความร้อน   = 2(481) =  962  kJ

ความยาวพันธะ (Bond length )

                ถ้าเราสังเกตระยะห่างระหว่างอะตอม  2  อะตอม  ที่จะสร้างพันธะกันจะพบว่า  ก่อนสร้างพันธะอะตอมจะอยู่ห่างกันมากและต่างฝ่ายต่างมีพลังงานสูง  เมื่อจะสร้างพันธะก็จะเคลื่อนที่เข้าหากัน  พร้อมกับมีการคายพลังงานออกไปด้วย  ทำให้ระยะห่างระหว่างอะตอมและพลังงานลดลงเช่นกัน    เมื่อเคลื่อนที่เข้มมาใกล้กันมากขึ้นก็จะยิ่งคายพลังงานออกไปมากขึ้น  จนถึงระยะห่างพอเหมาะที่ทำให้คายพลังงานจนลดลงได้ต่ำสุด    อะตอมก็จะสร้างพันธะกันโดยสมบูรณ์    ถ้ามีการสร้างพันธะเดียวกันจำนวน  6.02 x 10²³  พันธะ ( 1 โมลพันธะ)   พลังงานที่คายออกมาทั้งหมดรวมกันก็คือพลังงานพันธะ (Bond  energy)  และเรียกระยะห่างระหว่างอะตอมที่สร้างพันธะกันว่าความยาวพันธะ (Bond length)   แต่ถ้าอะตอมเข้าไปอยู่ใกล้กันมากกว่านี้  พลังงานก็จะเพิ่มขึ้นอีก    กราฟต่อไปนี้เป็นการแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง  ระยะห่างระหว่างอะตอมของไฮโดรเจน  2  อะตอมที่จะสร้างพันธะกันกับระดับพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไป 
                เริ่มจากตำแหน่งหมายเลข  1  อะตอมยังอยู่ห่างกันมาก  มีพลังงานสูง
                       - ตำแหน่งหมายเลข  2  อะตอมเลื่อนเข้ามาอยู่ใกล้กันมากขึ้น  พลังงานต่ำลง
                       - ตำแหน่งหมายเลข  3  อะตอมเลื่อนเข้ามาอยู่ใกล้พอเหมาะ  ทำให้พลังงานลดลงต่ำสุด    แสดงว่ามีการสร้างพันธะกันอย่างสมบูรณ์ ณ จุดนี้  และระยะห่างระหว่างอะตอม
                         ณ จุดนี้คือความยาวพันธะ
                       -  ตำแหน่งหมายเลข  4  อะตอมเข้าใกล้กันเกินไป  ทำให้พลังงานสูงขึ้นอีก

                                              (คลิ้ก  ชมความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่างระหว่างอะตอมกับพลังงาน)

                                                              (คลิ้กชม Bond length and bond energy)

            พลังงานที่คายออกมาถ้าดูจากกราฟก็จะเห็นว่ามีค่าเท่ากับ 0 – (- 432)  = 432  kJ/mol   ในกราฟจะแสดงให้เห็นอะตอมเพียง 1  คู่มาสร้างพันธะกัน  1  พันธะ  แต่ให้เข้าใจว่ามีการสร้างพันธะเช่นเดียวกันนี้จำนวน  6.02 X 10²³  พันธะ  หรือ  1  โมลพันธะ  พลังงานที่คายออกมาทั้งหมดจึงจะรวมกันได้ = 432  kJ จึงใช้หน่วยของพลังงานพันธะเป็น  kJ/mol  (พลังงานพันธะจากแหล่งอ้างอิงต่าง ๆ อาจมีค่าต่างกันบ้างแต่ไม่มากนัก)

ตัวอย่างความยาวพันธะเฉลี่ยและพลังงานพันธะระหว่างอะตอมต่าง ๆ มีดังนี้ 

                ให้สังเกตว่าพันธะระหว่างอะตอมของธาตุเดียวกัน  พันธะเดี่ยวจะมีความยาวพันธะมากที่สุด  แต่มีพลังงานพันธะน้อยที่สุดในขณะที่พันธะสาม  มีความยาวพันธะน้อยที่สุดแต่มีพลังงานพันธะมากที่สุด 

                 การที่พันธะเดี่ยวมีความยาวพันธะมากที่สุดเป็นเพราะ  เป็นการสร้างพันธะแบบซิกมาบอน  คือเกิดการซ้อนทับกันที่ส่วนปลายของออร์บิทัล   จึงเกิดขึ้นได้แม้ว่าอะตอมจะอยู่ห่างกัน

                 สำหรับพันธะคู่มีความยาวพันธะลดลงประกอบด้วยซิกมาบอนด์ 1 พันธะ  ไพบอนด์ 1 พันธะ  การสร้างพันธะแบบไพบอนเป็นการซ้อนทับด้านข้างของออร์บิทัล    อะตอมต้องเลื่อนตัวเข้ามาใกล้กันมากกว่าเดิม

                 สำหรับพันธะสามมีความยาวพันธะน้อยที่สุดเป็นเพราะ  ประกอบด้วยซิกมาบอนด์  1  พันธะกับไพบอนด์  2  พันธะ  อะตอมต้องเลื่อนตัวเข้ามาใกล้กันยิ่งขึ้นอีกจึงจะสร้างไพบอนด์ทั้ง 2 พันธะได้    พันธะสามจึงมีความยาวพันธะน้อยที่สุด

                                                                                                            (แบบฝึกหัด  อยู่ตอนถัดไป , ตอนที่ 10/1 )

 
 

Size : 9.42 KBs Upload : 2013-01-25 05:32:05

ติชม กำลังแสดงหน้า 1/0 << 1 >>

ต้องการให้คะแนนบทความนี้่ ? 0 คะแนนโหวด สร้างโดย : K-Me สถานะ : ผู้ใช้ทั่วไป วิทยาศาสตร์