เครื่องคำนวณลักษณะไอออนิก - สูตรของพอลิง | ความมีขั้วของพันธะ

ลักษณะไอออนิกคืออะไร?

ลักษณะไอออนิกเป็นค่าที่บอกว่าอะตอมสองอะตอมแบ่งปันอิเล็กตรอนกันอย่างไม่เท่าเทียมกันเพียงใดในพันธะเคมี ค่านี้แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ตั้งแต่ 0% (อิเล็กตรอนถูกแบ่งปันเท่า ๆ กัน เป็นพันธะโคเวเลนต์ล้วน) ไปจนถึงต่ำกว่า 100% เล็กน้อย (อะตอมหนึ่งเกือบดึงอิเล็กตรอนจากอีกอะตอมไปได้ทั้งหมด ใกล้เคียงพันธะไอออนิกล้วน) พันธะจริงส่วนใหญ่อยู่ระหว่างปลายทั้งสองนี้ เครื่องคำนวณลักษณะไอออนิกจะประมาณค่าเปอร์เซ็นต์นี้จากค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีของอะตอมที่เกิดพันธะกัน โดยใช้สูตรที่ Linus Pauling นักเคมีเผยแพร่

อิเล็กโตรเนกาติวิตีคือค่าที่จัดอันดับว่าอะตอมดึงอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันเข้าหาตัวเองได้แรงเพียงใด ในมาตราส่วนพอลิงที่ใช้กันทั่วไป ค่าจะอยู่ตั้งแต่ประมาณ 0.7 (ซีเซียมและแฟรนเซียม ซึ่งดึงอิเล็กตรอนได้อ่อน) ถึง 4.0 (ฟลูออรีน ซึ่งดึงอิเล็กตรอนได้แรงที่สุด) เมื่ออะตอมที่เกิดพันธะกันมีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีแตกต่างกันมาก อะตอมหนึ่งจะดึงอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันแรงกว่าอีกอะตอมมาก และพันธะนั้นจะมีลักษณะไอออนิกสูง

วิธีคำนวณลักษณะไอออนิก (สูตรของพอลิง)

เครื่องคำนวณใช้สูตรนี้:

$\text{ลักษณะไอออนิก (\%)} = \left(1 - e^{-0.25(\Delta\chi)^2}\right) \times 100$

ในที่นี้ Δχ (เดลตาไค) คือผลต่างสัมบูรณ์ระหว่างค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีของอะตอมทั้งสอง และ e คือจำนวนออยเลอร์ ซึ่งมีค่าประมาณ 2.71828

วิธีใช้สูตร:

1. ค้นหาค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีตามมาตราส่วนพอลิงของอะตอมแต่ละชนิด ตารางธาตุและตำราเคมีส่วนใหญ่ระบุค่าเหล่านี้ไว้
2. ลบค่าที่น้อยกว่าออกจากค่าที่มากกว่าเพื่อหา Δχ ลำดับของอะตอมไม่สำคัญ เพราะใช้เพียงผลต่าง
3. ยกกำลังสอง Δχ คูณด้วย −0.25 แล้วหาค่า e ยกกำลังนั้น
4. ลบผลลัพธ์ออกจาก 1 แล้วคูณด้วย 100 เพื่อให้ได้ค่าเปอร์เซ็นต์

ความสัมพันธ์นี้ไม่ใช่เส้นตรง เมื่อ Δχ เท่ากับ 0.5 จะให้ลักษณะไอออนิกประมาณ 6% แต่เมื่อ Δχ เท่ากับ 1.0 จะให้ค่าประมาณ 22% ไม่ใช่ 12% การเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของผลต่างอิเล็กโตรเนกาติวิตีทำให้ลักษณะไอออนิกเพิ่มขึ้นเป็นช่วง ๆ มากขึ้น จนเส้นโค้งราบและเข้าใกล้ แต่ไม่ถึง 100%

ตัวอย่างการคำนวณ: พันธะคาร์บอน–ออกซิเจน

พันธะ C–O ซึ่งพบในแอลกอฮอล์และโมเลกุลอินทรีย์อื่น ๆ อีกมาก เป็นกรณีตัวอย่างทั่วไป

• อิเล็กโตรเนกาติวิตีของคาร์บอน: 2.5
• อิเล็กโตรเนกาติวิตีของออกซิเจน: 3.5
• ผลต่าง: Δχ = |3.5 − 2.5| = 1.0
• ลักษณะไอออนิก: (1 − e^(−0.25 × 1.0²)) × 100 ≈ 22.1%
• การจำแนกประเภท: โคเวเลนต์มีขั้ว

ตัวอย่างการคำนวณ: พันธะโซเดียม–คลอรีน

• อิเล็กโตรเนกาติวิตีของโซเดียม: 0.9
• อิเล็กโตรเนกาติวิตีของคลอรีน: 3.0
• ผลต่าง: Δχ = |3.0 − 0.9| = 2.1
• ลักษณะไอออนิก: (1 − e^(−0.25 × 2.1²)) × 100 ≈ 66.8%
• การจำแนกประเภท: ไอออนิก

แม้แต่พันธะ Na–Cl ในเกลือแกง ซึ่งเป็นตัวอย่างพันธะไอออนิกในตำรา ก็มีลักษณะไอออนิกประมาณ 67% แทนที่จะเป็น 100% สูตรของพอลิงถือว่าพันธะทุกชนิดมีทั้งส่วนโคเวเลนต์และส่วนไอออนิก และไม่มีพันธะทั่วไปใดมีค่าเต็ม 100%

การจำแนกประเภทพันธะ

เครื่องคำนวณแบ่งผลลัพธ์ออกเป็นสามประเภท:

จุดตัดเหล่านี้เป็นเพียงหลักเกณฑ์ ไม่ใช่ขอบเขตทางกายภาพที่ชัดเจน พันธะที่มีลักษณะไอออนิก 49% มีพฤติกรรมแตกต่างจากพันธะที่มีค่า 51% เพียงเล็กน้อย

ตัวอย่างเพิ่มเติม

เหตุใดลักษณะไอออนิกจึงสำคัญ

พันธะที่มีลักษณะไอออนิกสูงมักอยู่ในสารประกอบที่ละลายน้ำได้ เกิดเป็นของแข็งผลึกแข็ง และนำไฟฟ้าได้เมื่อหลอมเหลวหรือละลาย พันธะที่มีลักษณะไอออนิกต่ำมักอยู่ในสารประกอบที่ผสมกับน้ำมันและสารไม่มีขั้วอื่น ๆ ได้แทน หลักนี้เป็นที่มาของกฎ “สารที่มีลักษณะเหมือนกันย่อมละลายกันได้”: น้ำซึ่งประกอบด้วยพันธะ O–H มีขั้ว จะละลายสารที่มีขั้วหรือสารไอออนิกได้ดีกว่าสารไม่มีขั้ว เช่น น้ำมันพืช

ประวัติของสูตร

Linus Pauling เผยแพร่มาตราส่วนอิเล็กโตรเนกาติวิตีเชิงตัวเลขเป็นครั้งแรกใน 1932 ในวารสาร Journal of the American Chemical Society เขาสร้างมาตราส่วนนี้โดยเปรียบเทียบพลังงานพันธะที่วัดได้ สูตรเอ็กซ์โพเนนเชียลดังกล่าวปรากฏในภายหลังในหนังสือ The Nature of the Chemical Bond ของเขา ซึ่งพิมพ์ครั้งแรกใน 1939 และปรับปรุงใน 1960 ผลงานของพอลิงด้านพันธะเคมีทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 1954

หลังจากนั้น นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ เสนอมาตราส่วนอิเล็กโตรเนกาติวิตีแบบอื่น รวมถึงมาตราส่วนของ Robert Mulliken (1934) ซึ่งอาศัยพลังงานไอออไนเซชันและสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน มาตราส่วนของพอลิงยังคงเป็นมาตราส่วนที่มีการสอนและใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน

ข้อจำกัดของสูตรพอลิง

สูตรของพอลิงเป็นค่าประมาณ ใช้ได้ดีสำหรับพันธะทั่วไปที่เรียบง่าย แต่มีข้อจำกัดที่ทราบกันอยู่

• สูตรนี้ใช้อิเล็กโตรเนกาติวิตีเพียงอย่างเดียว จึงไม่คำนึงถึงผลของเรโซแนนซ์ (อิเล็กตรอนกระจายอยู่ทั่วอะตอมหลายอะตอม เช่นในเบนซีน) และโครงสร้างโมเลกุลโดยรอบ
• ตำราแต่ละเล่มระบุค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีของธาตุเดียวกันแตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยนไป
• ผลลัพธ์ที่มากกว่า 50% ไม่สอดคล้องเสมอไปกับวิธีที่นักเคมีจำแนกสารจริง เมื่อนำสูตรไปใช้กับไฮโดรเจนและฟลูออรีน (2.1 และ 4.0) จะได้ Δχ = 1.9 และลักษณะไอออนิกประมาณ 59% ซึ่งสูงกว่าจุดตัดของสารไอออนิก อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปไฮโดรเจนฟลูออไรด์อธิบายว่าเป็นโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้ว ไม่ใช่สารประกอบไอออนิก เพราะอยู่เป็นโมเลกุลแยกจากกัน ไม่ได้อยู่เป็นโครงผลึกของไอออนเหมือนโซเดียมคลอไรด์ เปอร์เซ็นต์นี้จึงเป็นค่าประมาณที่มีประโยชน์ ไม่ใช่กฎตายตัว

หากต้องการค่าที่แม่นยำกว่า นักเคมีใช้วิธีการคำนวณ เช่น ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น หรือวิธีการทดลอง เช่น ผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์และสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด ซึ่งวัดการกระจายตัวของอิเล็กตรอนได้โดยตรง

คำถามที่พบบ่อย

ลักษณะไอออนิกคืออะไร?

ลักษณะไอออนิกคือเปอร์เซ็นต์โดยประมาณของลักษณะพันธะเคมีที่เกิดจากอะตอมหนึ่งดึงอิเล็กตรอนออกจากอีกอะตอมหนึ่ง แทนที่อะตอมทั้งสองจะแบ่งปันอิเล็กตรอนกันเท่า ๆ กัน ค่านี้มีตั้งแต่ใกล้ 0% สำหรับอะตอมชนิดเดียวกัน ไปจนถึงต่ำกว่า 100% เล็กน้อยสำหรับอะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีแตกต่างกันมาก

สูตรพอลิงสำหรับลักษณะไอออนิกคืออะไร?

ลักษณะไอออนิก (%) = (1 − e^(−0.25 × Δχ²)) × 100 โดย Δχ คือผลต่างสัมบูรณ์ระหว่างค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีตามมาตราส่วนพอลิงของอะตอมที่เกิดพันธะกันทั้งสองอะตอม

เหตุใดจึงไม่มีพันธะใดเป็นไอออนิก 100%?

สูตรนี้เข้าใกล้ 100% เมื่อ Δχ เพิ่มขึ้น แต่ไม่เคยถึงค่านั้น เพราะถือว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเป็นความน่าจะเป็น ไม่ใช่เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นทั้งหมดหรือไม่เกิดขึ้นเลย แม้แต่พันธะที่มีลักษณะไอออนิกสูง เช่นพันธะ Cs–F ในซีเซียมฟลูออไรด์ (ผลต่างอิเล็กโตรเนกาติวิตีประมาณ 3.2) ก็ให้ค่าประมาณ 92% แทนที่จะเป็น 100% เนื่องจากยังมีการแบ่งปันอิเล็กตรอนบางส่วนเกิดขึ้น

สูตรของพอลิงแม่นยำเพียงใด?

สำหรับพันธะทั่วไป สูตรนี้ให้ผลโดยรวมสอดคล้องกับวิธีขั้นสูงกว่า เช่น เคมีคำนวณและผลึกศาสตร์รังสีเอกซ์ สูตรไม่คำนึงถึงเรโซแนนซ์หรือผลของโครงสร้างทั้งหมดของโมเลกุล จึงเหมาะใช้เป็นค่าประมาณทั่วไปมากกว่าการวัดที่แม่นยำ

ลักษณะไอออนิกเหมือนกับขั้วของพันธะหรือไม่?

ทั้งสองเกี่ยวข้องกันแต่ไม่เหมือนกัน ขั้วของพันธะอธิบายการแยกประจุในพันธะ ซึ่งมักวัดด้วยโมเมนต์ไดโพล ลักษณะไอออนิกเป็นค่าประมาณเปอร์เซ็นต์ที่ได้จากอิเล็กโตรเนกาติวิตีเพียงอย่างเดียว เพื่อบอกสัดส่วนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเทียบกับการแบ่งปันอิเล็กตรอน พันธะที่มีลักษณะไอออนิกสูงมักมีโมเมนต์ไดโพลมากกว่า

ค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีมาจากไหน?

ค่าดังกล่าวมาจากมาตราส่วนอิเล็กโตรเนกาติวิตีของพอลิง ซึ่งพบได้ในตำราเคมีทั่วไปและตารางธาตุส่วนใหญ่ ค่าบนมาตราส่วนนี้โดยทั่วไปอยู่ตั้งแต่ประมาณ 0.7 สำหรับซีเซียมและแฟรนเซียม ถึง 4.0 สำหรับฟลูออรีน