แรงระหว่างโมเลกุลและสมบัติสาร

เวลาเดือด น้ำมักยังเป็น H₂O อยู่: พลังงานส่วนใหญ่ใช้แยกโมเลกุลออกจากกัน ไม่ได้ตัดพันธะ O–H ภายในโมเลกุล

พื้นฐานที่ใช้: แรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุลสร้างโครงสร้าง Lewis; แรงระหว่างโมเลกุลหรืออนุภาคมีผลต่อการรวมตัวและสมบัติทางกายภาพ

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. แยกแรงภายในโมเลกุลออกจากแรงระหว่างโมเลกุล

• การทำความเข้าใจพฤติกรรมของสารโคเวเลนต์ต้องแยกแยะแรงสองระดับออกจากกันอย่างเด็ดขาด:

• แรงภายในโมเลกุล (Intramolecular forces):
  • คือ พันธะโคเวเลนต์ ที่ยึดอะตอมเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุล มีความแข็งแรงสูงมาก
  • การทำลายแรงนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและสูญเสียเอกลักษณ์ของโมเลกุลเดิม
• แรงระหว่างโมเลกุล (Intermolecular forces, IMF):
  • คือแรงดึงดูดอย่างอ่อนที่กระทำระหว่างโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงกัน
  • การเปลี่ยนสถานะทางกายภาพ (เช่น การระเหย การเดือด หรือการหลอมเหลว) เป็นการให้พลังงานเพื่อ เอาชนะแรงระหว่างโมเลกุลเท่านั้น
  • ตัวอย่างสำคัญ: เมื่อน้ำเดือดกลายเป็นไอน้ำ ไอน้ำยังคงเป็นโมเลกุล $\mathrm{H_2O(g)}$ พันธะ $\mathrm{O-H}$ ภายในโมเลกุลไม่ได้ถูกตัดขาดเป็นอะตอม $\mathrm{H}$ และ $\mathrm{O}$

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: การเปรียบเทียบระดับแรงภายในโมเลกุลกับแรงระหว่างโมเลกุลของน้ำ
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
    • เส้นทึบ ($\mathrm{O-H}$): พันธะโคเวเลนต์ภายในโมเลกุล (Intramolecular bond) มีความแข็งแรงสูง
    • เส้นประ ($\mathrm{H\cdots O}$): พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล (Intermolecular hydrogen bond)
    • เมื่อน้ำเดือด: ระบบเอาชนะแรงระหว่างโมเลกุล (เส้นประ) เป็นหลัก โมเลกุลยังคงมีสูตรเคมีเป็น $\mathrm{H_2O}$
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงปฏิสัมพันธ์ระหว่าง 2 โมเลกุล ในน้ำเหลวจริงเกิดโครงข่ายพันธะไฮโดรเจนแบบพลวัตเชื่อมโยงกันรอบทิศทาง

2. การจำแนกชนิดของแรงระหว่างโมเลกุล

• แรงระหว่างโมเลกุลจำแนกตามสภาพขั้วและโครงสร้างทางเคมี:

• 1. แรงแผ่กระจายลอนดอน (London dispersion forces):
  • เกิดจากกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนเบี่ยงเบนชั่วขณะจนเกิดเป็นไดโพลชั่วคราว (Induced dipole)
  • มีอยู่ในโมเลกุลทุกชนิด (และเป็นแรงชนิดเดียวในโมเลกุลไม่มีขั้ว เช่น $\mathrm{CH_4, O_2, CCl_4}$)
  • ขนาดของแรงเพิ่มขึ้นตาม ขนาดโมเลกุล/มวลโมเลกุล (จำนวนอิเล็กตรอนมาก สภาพขั้วเหนี่ยวนำได้ง่ายขึ้น) และ พื้นที่ผิวสัมผัส ของโมเลกุล
• 2. แรงดึงดูดระหว่างขั้ว (Dipole-dipole forces):
  • เกิดระหว่างโมเลกุลที่มีขั้วถาวร (Polar molecules) โดยขั้วบวกบางส่วน ($\delta+$) ของโมเลกุลหนึ่งดึงดูดขั้วลบบางส่วน ($\delta-$) ของโมเลกุลข้างเคียง
• 3. พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bonding):
  • เป็นแรงดึงดูดระหว่างขั้วที่มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ
  • เกิดขึ้นเมื่ออะตอมไฮโดรเจนที่สร้างพันธะโคเวเลนต์กับธาตุที่มีค่า $\mathrm{EN}$ สูงมากและขนาดอะตอมเล็ก คือ $\mathrm{F, O, N}$ ไปดึงดูดกับคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวของ $\mathrm{F, O, N}$ ในโมเลกุลข้างเคียง
  • แข็งแรงกว่าแรงระหว่างขั้วทั่วไปมาก ส่งผลให้สารเช่น $\mathrm{H_2O, HF, NH_3}$ มีจุดเดือดสูงกว่าสารอื่นในหมู่เดียวกันอย่างชัดเจน

3. ความสัมพันธ์ระหว่างแรงยึดเหนี่ยวกับสมบัติทางกายภาพ

• แนวโน้มสมบัติเมื่อแรงระหว่างโมเลกุลแข็งแรงขึ้น:
  • จุดเดือดและจุดหลอมเหลว: สูงขึ้น (ต้องใช้พลังงานความร้อนมากขึ้นในการแยกโมเลกุลออกจากกัน)
  • ความดันไอ (Vapor pressure): ลดลง (สารระเหยกลายเป็นไอได้ยากขึ้น)
  • ความหนืด (Viscosity) และแรงตึงผิว (Surface tension): เพิ่มขึ้น
• เงื่อนไขสำคัญในการเปรียบเทียบ:
  • การเปรียบเทียบความแรงของแรงระหว่างโมเลกุลชนิดต่าง ๆ ใช้ได้แม่นยำเมื่อสารมี ขนาดโมเลกุลและมวลโมเลกุลใกล้เคียงกัน
  • ผลของโครงสร้างโซ่ตรงเทียบกับโซ่กิ่ง: โมเลกุลที่เป็นโซ่ตรง (เช่น $n$-pentane) มีพื้นที่ผิวสัมผัสแนบชิดกันได้มากกว่าไอโซเมอร์โซ่กิ่ง (เช่น neopentane) จึงมีแรงลอนดอนมากกว่าและมีจุดเดือดสูงกว่า

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด