กิลเบิร์ต นิวตัน ลิวอิส
กิลเบิร์ต นิวตัน ลิวอิส (23 ตุลาคม 1875 – 23 มีนาคม 1946) เป็นชาวอเมริกัน เป็นนักฟิสิกส์และนักเคมีที่ค้นพบพันธะโคเวเลนซ์และการทำน้ำมวลหนักให้บริสุทธิ์ และเขายังศึกษาเกี่ยวกับเรื่องของอุณหพลศาสตร์อย่างตั้งใจซึ่งเป็นวิชาสามัญในทางคณิตศาสตร์ ในปี 1926 เขาได้ตั้งทฤษฎีซึ่งชื่อว่ากรดและเบสของลิวอิส และมีการทดลองเรื่องแสงจนเขาได้บัญญัติคำว่า โฟตอน สำหรับสิ่งที่เล็กที่สุดและหมายถึงพลังงานที่มีแสง ลิวอิสเป็นพี่ชายของ อัลฟา ชี ซิงมา เขาเป็นผู้ที่มีความเชี่ยวชาญด้านเคมี และทำอาชีพเป็นศาสตราจารย์ที่มีความเชี่ยวชาญด้านวิชาเคมีสอนอยู่ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์
อาชีพ
ลิวอิสเกิดและเติบโตที่เวย์เมาท์ แมซซาซูเซต นอกจากนี้ปีกที่ติดปกเสื้อของโรงเรียนมัธยมของกรมเคมียังเป็นชื่อของเขาเพื่อให้เกียรติแก่เขา หลังจากที่เขาได้รับการศึกษาที่ฮาร์วาดร์ ภายใต้การดูแลของทีออโด ริชาดร์ ลิวอิสอาศัยอยู่เขาเขาซึ่งเป็นอาจารย์ผู้สอนเป็นเวลาหนึ่งปีก่อนที่เขาจะออกเดินทางไปศึกษาวิชาเคมี กับวิลเลียม ออตวาซด์ที่ ไลพ์ซิก และฟิสิกส์กับวอตเทอร์ เนิร์ดที่โกทินเจน ในขณะที่ทำงานในห้องแล็บเนิร์ด ของลูอิส เห็นได้ชัดว่าเมื่อเขาเริ่มที่จะทำอะไรซักอย่างจะมีสิ่งที่ผิดพลาดเกิดขึ้นตลอด เพื่อนของเนิร์ด วิลเลียม ปาแมร์ เป็นหนึ่งในคณะกรรมการของโนเบลสาขาวิชาเคมีมีหลักฐานว่าเขาเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลโนเบลและรายงานขั้นตอนการปฏิบัติเพื่อไม่ให้รางวัลโนเบลแก่ลูอิสในสาขาเคมีอุณหพลศาสตร์ กว่าที่ลูอิสจะได้รับรางวัลนั้นก็มีการเสนอชื่อของเขาถึงสามครั้งด้วยกันแต่ถึงยังไงเขาก็ยังไม่ได้รับรางวัลอยู่ดีเพราะว่าปาแมร์เขียนรายงานเชิงลบเสนอให้คณะกรรมการรางวัลโนเบลเกี่ยวกับทฤษฏีของลูอิส
หลังจากนั้นเขาก็อยู่ภายในห้องแล็บของเขา ลูอิสได้กลับไปที่ฮาร์ดวาร์ดอีกครั้ง แล้วก็พบกับอาจารย์ของเขา หลังจากนั้นในปี 1940 เขากลับมาควบคุมดูแลน้ำหนักและมาตราการในสำนักวิทยาศาสตร์ในเกาะฟิลิปปินส์ที่กรุงมะนิลา ถัดจากนั้นมาอีกหนึ่งปีเขากลับมาที่แคมบริจน์ เมซาซูเซส เขาได้รับการแต่งตั้งให้เป็นอาจารย์และเขายังมีโอกาสที่จะเข้าร่วมกลุ่มกับนักเคมีกายภาพที่โดดเด่นภายใต้การดูแลควบคุมของ
อาเธอร์ อมอส์ นอยด์ เขาได้กลายเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ปี 1907 และกลายเป็นรองศาตราจารย์ในปี 1908และเป็นศาสตราจารย์อย่างเต็มตัวในปี 1911 เขาได้เข้าร่วมกลุ่มของ MIT ในปี 1912 และมาเป็นศาสตราจารย์ของวิชาฟิสิกส์และเคมีที่มหาวิทยาลัยเคมีของแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ มีการสร้างห้องโถงของเขาที่เบิร์กลีย์เพื่อเป็นการเชิดชูเกียรติของเขาในปี 1984
ผลงานของเขา
(Lewis Electron-Dot Symbols) ถ้าจะแปลตรงๆ คงได้ “สัญลักษณ์การแทนอิเล็กตรอนด้วยจุด”ก่อนที่จะเริ่มศึกษาแบบจำลองแต่ละแบบ เราต้องเรียนรู้วิธีในการแสดงวาเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่กำลังศึกษา ซึ่งนิยมใช้สัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิส (ตามชื่อของนักเคมีชาวอเมริกัน G. N. Lewis)โดย “สัญลักษณ์ธาตุ แทนนิวเคลียสและอิเล็กตรอนชั้น ใน และจุดที่ล้อมรอบแทนวาเลนซ์อิเล็กตรอน”เลขหมู่ A (1A – 8A) บอกจำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุนั้นจุด 1 จุดแทน 1 วาเลนซ์อิเล็กตรอน โดยให้วาดทีละจุดล้อมรอบสัญลักษณ์ธาตุ (บน ล่าง ซ้าย ขวา)
ถ้าอิเล็กตรอนยังเหลือ ให้วาดจุดเพิ่มข้างๆ จุดเดิม (ให้อยู่เป็นคู่) เติมจนจำนวนจุดเท่ากับจำนวนวาเลนซ์อิเล็กตรอน
สัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสสำหรับธาตุในคาบที่ 2 และ 3
สัญลักษณ์ของลิวอิสให้ข้อมูลเกี่ยวกับพฤติกรรมการสร้างพันธะของธาตุดังนี้
1. สำหรับโลหะ จำนวนจุด คือ “จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่อะตอมนั้นจะสูญเสียและกลายเป็นไอออนบวก”
2. สำหรับอโลหะ จำนวนจุดที่ไม่มีคู่ (unpaired dots) มีค่าเท่ากับ “จำนวนอิเล็กตรอนที่อะตอมจะรับเพื่อที่จะกลายเป็นไอออนลบ” หรือ “จำนวนอิเล็กตรอนที่อะตอมจะแบ่งปันกันใช้ (electron sharing) ในการเกิดพันธะโควาเลนต์”
ตัวอย่าง:
• กรณีของอะตอมคาร์บอน (C) แทนที่เราจะเขียนเป็น 1 อิเล็กตรอนคู่ (จุดคู่) + 2 อิเล็กตรอนเดี่ยว (จุด
เดียว) เพื่อให้สอดคล้องกับการจัดเรียงอิเล็กตรอน [He] 2s22p2 แต่เรากลับวาดเป็น 4 อิเล็กตรอน
เดี่ยว เพราะว่าอะตอมคาร์บอนสร้าง 4 พันธะ (ไปจับคู่กับอีก 4 อิเล็กตรอนของอะตอมอื่นๆ)
กฎออคเตท (Octet Rule)
ในการศึกษาพันธะเคมี ลิวอิสได้สรุปพฤติกรรมการเกิดพันธะออกมาเป็น กฎออคเตท หรือ กฎครบแปด ดังนี:้“ เมื่ออะตอมสร้างพันธะ จะมีการสูญเสีย, ได้รับ หรือแบ่งปันอิเล็กตรอน (กันใช้) เพื่อที่จะให้ระดับพลังงานชั้นนอกสุดมีอิเล็กตรอนเต็ม 8 ตัว (หรือ 2 ตัวในกรณีของไฮโดรเจน) ”
การพิจารณาเกี่ยวกับพลังงานในพันธะไอออนิก: ความสำคัญของพลังงานแลตทิซ
• ในความเป็นจริงแล้ว กระบวนการถ่ายโอนอิเล็กตรอน (electron transfer process) โดยตัวของมันเองเป็นกระบวนการดูดความร้อน
• สาเหตุที่ทำให้เกิดสารประกอบไอออนิกได้ คือ พลังงานที่ “คาย” ออกมามหาศาลเมื่อไอออน (บวกและลบ) เข้ามาอยู่ด้วยกันกลายเป็นของแข็ง
การใช้แบบจำลองพันธะไอออนิกในการอธิบายสมบัติของสารประกอบไอออนิก
• หน้าที่แรกและหน้าที่ที่สำคัญที่สุดของแบบจาลองใดๆ คือ การอธิบายข้อเท็จจริง (facts)
• คุณลักษณะทางกายภาพของสารประกอบไอออนิก คือ แข็ง (hard) แต่เปราะ (brittle)
• ความแข็งของสารประกอบไอออนิกเกิดจากความแข็งแกร่งของแรงดึงดูดระหว่างไอออนที่อยู่ในตำแหน่งเฉพาะทั่วทั้งผลึก การจะเลื่อนตำแหน่งของไอออนออกจากตำแหน่งเดิมจึงต้องใช้แรงมาก
• แต่ถ้าเราออกแรงมากเพียงพอ ไอออนจะเกิดการเลื่อนตำแหน่งซึ่งถ้าไอออนที่มีประจุชนิดเดียวกันเข้ามาอยู่ชิดกัน จะเกิดแรงผลักขึ้น ทำให้ของแข็งแตกทันที ดังนั้น สารประกอบไอออนนิกจึงเปราะ
• นอกจากนี้สารประกอบไอออนิกยังมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงอีกด้วย (พันธะแข็งแรง) การทำให้ไอออนเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งเฉพาะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก และถ้าจะทำให้กลายเป็นไอยิ่งต้องใช้พลังงานมากยิ่งกว่า
แบบจำลองพันธะโควาเลนต์
• เมื่อมองดูฐานข้อมูลของสารประกอบ (เช่น the Handbook of Chemistry and Physics) จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าจำนวนของสารประกอบโควาเลนต์มีมากกว่าจำนวนของสารประกอบไอออนิกมาก
• โมเลกุลที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโควาเลนต์มีตั้งแต่โมเลกุลที่ประกอบจาก 2 อะตอมอย่างแก๊สไฮโดรเจนจนไปถึงโมเลกุลขนาดยักษ์ที่ประกอบไปด้วยอะตอมนับร้อยนับพัน
• แม้แต่ไอออนบางชนิดในสารประกอบไอออนิก ได้แก่ ไอออน polyatomic ก็ยังมีพันธะโควาเลนต์อยู่
• นั่นคือ การแบ่งปันอิเล็กตรอน (sharing electrons) เป็นวิธีหลักที่สร้างอันตรกิริยาระหว่างอะตอมต่างๆ
การเกิดพันธะโควาเลนต์
• แก๊สไฮโดรเจนประกอบจากโมเลกุล H2 ซึ่งคำถามที่เกิดขึ้น คือ ทำไมอะตอมจึงจับคู่กับอีกอะตอมหนึ่ง
• ให้พิจารณารูปที่อยู่ในหน้าถัดไป แล้วคิดดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น เมื่ออะตอม H ที่อยู่ห่างไกลกัน ค่อยๆ
เคลื่อนที่เข้าหากัน (จากทางขวามาทางซ้ายของกราฟ)
• เมื่ออะตอมยังอยู่ห่างกันไกล อะตอมจะประพฤติตัวราวกับว่าไม่มีอีกอะตอมอยู่
• เมื่อระยะห่างระหว่างนิวเคลียสลดลง นิวเคลียสแต่ละอันเริ่มที่จะดึงดูดอิเล็กตรอนของอีกอะตอมหนึ่งเข้าหาตัวซึ่งทำให้พลังงานศักย์ของระบบมีค่าลดลง
• ในขณะที่แรงดึงดูดเกิดขึ้นต้องอย่าลืมว่ามีแรงผลักเกิดขึ้น เช่นกัน (ระหว่างนิวเคลียสทั้ง 2 และอิเล็กตรอนทั้งสอง) ดังนั้นที่ระยะห่างหนึ่ง พลังงานศักย์ของระบบจะต่ำที่สุด
• ถ้าอะตอมทั้งสองเข้าใกล้กันมากกว่านี้ แรงผลักกันจะเหนือกว่าแรงดึงดูดทำให้พลังงานศักย์ของระบบสูงขึ้น
• พันธะโควาเลนต์ (สิ่งที่ยึดเหนี่ยวอะตอม H สองอะตอมเข้าไว้ด้วยกันในโมเลกุล H2) เกิดขึ้น จากการถ่วงดุล (balance) ระหว่างแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน (ของอีกอะตอม) และแรงผลักกันระหว่างนิวเคลียสทั้ง 2และอิเล็กตรอนทั้ง 2
อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ (bonding pair) และอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair)
• เช่นเดียวกับกรณีพันธะไอออนิก อะตอมที่เกิดพันธะโควาเลนต์จะมีอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกหรือ ชั้นวาเลนซ์เต็ม (ตามกฎออคเตท) แต่จะเกิดขึ้นด้วยวิธีที่ต่างจากพันธะไอออนิกออกไป
• แต่ละอะตอมที่เกิดพันธะโควาเลนต์จะ “นับ” อิเล็กตรอนที่แบ่งปันกันใช้ (ใช้ร่วมกัน) ราวกับว่าเป็นอิเล็กตรอนของตัวเอง
• ดังนั้นอิเล็กตรอนทั้ง 2 ที่เป็นอิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันของโมเลกุล H2 จะเติมเต็มระดับพลังงานชั้นนอกของอะตอ H ทั้งสองพร้อมๆ กัน
• อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกัน (shared pair) หรือที่เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ (bonding pair)
ถูกแทนด้วยจุดหนึ่งคู่ (: หรือ . .) หรือเส้นตรง 1 เส้น (– หรือ |) เช่น H:H หรือ H – H
• อิเล็กตรอนคู่ที่อยู่ระดับพลังงานชั้นนอกโดยไม่เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะ เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair) หรือ อิเล็กตรอนคู่ที่ไม่ได้ใช้ร่วมกัน (unshared pair)
• อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะในโมเลกุล HF เติมเต็มระดับพลังงานชั้นนอกของทั้งอะตอม H และอะตอม F(กรณี F อย่าลืมว่ามี อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่แล้ว 3 คู่)
• ในโมเลกุล F2 อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดียว 3 คู่เติมเต็มระดับพลังงานชันนอกของแต่ละอะตอม F
จัดทำโดย
นางสาวพิมพ์ศรี พรหมแท่น เลขที่18
นางสาวสมิตา ตังคพิพัฒน์ เลขที่ 20
ได้สาระมากคับ ทำอีกนะคับ
ตอบลบ