เวเลนซ์

เวเลนซ์ หรือ เวเลนซี (อังกฤษ: valence or valency) ของธาตุเคมีเป็นการระบุความสามารถของอะตอมในการเกิดเป็นสารประกอบหรือโมเลกุล โดยหลักการเกี่ยวกับเวเลนซีนี้ได้ถูกพัฒนาในครึ่งหลังของคริสต์ศตวรรษที่ 19 และใช้ในการอธิบายโครงสร้างของสารได้ทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์[1] แม้ว่าแนวคิดเกี่ยวกับเวเลนซ์จะถูกกล่าวถึงมานานแต่ยังสามารถใช้ได้กับอีกทฤษฎีเกี่ยวกับพันธะเคมี อาทิ ทฤษฎีอะตอมทรงลูกบาศก์ (cubical atom) โครงสร้างลิวอีส (Lewis structures) ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ (valence bond theory; VBT) ทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (molecular orbital theory; MOT) ทฤษฎีการผลักกันของคู่อิเล็กตรอนวงเวเลนซ์ (valence shell electron pair repulsion theory; VSEPR) รวมถึงทฤษฎีควอนตัมสมัยใหม่ เป็นต้น

คำอธิบาย

ความสามารถในการรวมตัวหรือสัมพรรคภาพ (affinity) ของอะตอมสามารถพิจารณาได้จากจำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่รวมตัวกับธาตุนั้น ๆ ตัวอย่าง มีเทน (CH4) อะตอมคาร์บอนมีเวเลนซ์เท่ากับ 4 แอมโมเนีย (NH3) อะตอมไนโตรเจนมีเวเลนซ์เท่ากับ 3 น้ำ (H2O) อะตอมออกซิเจนมีเวเลนซ์เท่ากับ 2 และในไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) อะตอมคลอรีนจะมีเวเลนซ์เท่ากับ 1 ในขณะที่ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (PCl5) อะตอมฟอสฟอรัสมีเวเลนซ์เท่ากับ 5 เป็นต้น แผนภาพเวเลนซ์ (valence diagram) เป็นการแสดงการเชื่อมต่ออะตอมต่างๆโดยใช้เส้นเชื่อมระหว่าง 2 อะตอม (บางครั้งเรียกว่า "พันธะ") ตัวอย่างเวเลนซ์ของอะตอมต่าง ๆ แสดงดังตาราง

สารประกอบ โพรเพน
(C3H8) 		อะเซทิลีน
(C2H2) 		แอมโมเนีย
(NH3) 		โซเดียมไซยาไนด์
NaCN 		ไฮโดรเจนซัลไฟด์
(H2S) 		กรดซัลฟิวริก
(H2SO4) 		ไดคลอรีนเฮปทอกไซด์
(Cl2O7)
แผนภาพ
เวเลนซี่ คาร์บอน, 4
ไฮโดรเจน, 1 		คาร์บอน, 4
ไฮโดรเจน, 1 		ไนโตรเจน, 3
ไฮโดรเจน, 1 		โซเดียม, 1
คาร์บอน, 4
ไนโตรเจน, 3 		กำมะถัน, 2
ไฮโดรเจน, 1 		กำมะถัน, 6
ออกซิเจน, 2
ไฮโดรเจน, 1 		คลอรีน, 7
ออกซิเจน, 2

แนวคิดเกี่ยวกับเวเลนซ์ใช้ในการอธิบายการเชื่อมต่อของอะตอมในโครงสร้างของสารได้แต่ไม่สามารถบอกรูปร่างหรือรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล และไม่สามารถอธิบายโครงสร้างที่เป็นโครงข่ายขนาดใหญ่ เช่น โครงข่ายโคเวเลนต์และสารประกอบไอออนิกได้

นิยาม

นิยามตามหนังสือเล่มสีทอง (Gold Book) ของสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAC) ได้ให้นิยามคำว่าเวเลนซ์ว่า "เวเลนซ์ คือ จำนวนอะตอมยูนิเวเลนซ์ (มีที่มาจากอะตอมไฮโดรเจนหรืออะตอมคลอรีน) สูงสุดที่อาจรวมกับอะตอมหนึ่ง ๆ ของธาตุที่กำลังพิจารณา โดยที่อะตอมของธาตุนั้น ๆ จะสามารถถูกแทนที่ได้" [2]

อย่างไรก็ตาม มีการนิยามคำว่าเวเลนซ์ในหนังสืออื่น ๆเช่น "เวเลนซ์ คือ จำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่สามารถรวมตัวกับธาตุหนึ่ง ๆ ในสารประกอบธาตุคู่ไฮไดรด์ (binary hydride) หรือสองเท่าของจำนวนอะตอมออกซิเจนที่รวมกับธาตุนั้น ๆ ในสารประกอบออกไซด์ชนิดหนึ่ง ๆ หรือหลายชนิด"[3] ซึ่งจะเห็นได้ว่านิยามอย่างหลังได้ขยายความอีกนัยหนึ่งว่าเวเลนซ์ของอะตอมธาตุชนิดหนึ่ง ๆ อาจมีได้หลายค่านั่นเอง

เวเลนซ์โดยทั่วไปของธาตุในตารางธาตุ

สำหรับธาตุหมู่หลัก (main groups) เวเลนซ์ของอะตอมอาจจะเป็นไปได้ตั้งแต่ 1 ถึง 7 ดังตาราง

หมู่ เวเลนซ์ 1 เวเลนซ์ 2 เวเลนซ์ 3 เวเลนซ์ 4 เวเลนซ์ 5 เวเลนซ์ 6 เวเลนซ์ 7 เวเลนซ์โดยทั่วไป
1 NaCl 1
2 MgCl2 2
13 BCl3 , AlCl3
Al2O3		 3
14 CO CH4 4
15 NO NH3
PH3
As2O3		 NO2 N2O5
PCl5		 3 และ 5
16 H2O
H2S		 SO2 SO3 2 และ 6
17 HCl ClO2 Cl2O7 1 และ 7

ธาตุในตารางธาตุหลายชนิดโดยเฉพาะธาตุหมู่หลักเราสามารถทำนายเวเลนซีของอะตอมได้จากตำแหน่งในตารางธาตุ เช่น ธาตุหมู่ 1 และ ธาตุหมู่ 17 มีเวเลนซ์โดยทั่วไปเท่ากับ 1 ธาตุหมู่ 2 และธาตุหมู่ 16 มีเวเลนซ์โดยทั่วไปเท่ากับ 2 ธาตุหมู่ 13 และธาตุหมู่ 15 มีเวเลนซ์โดยทั่วไปเท่ากับ 3 เป็นต้น ซึ่งการทำนายนี้เป็นไปตามกฎออกเตต (octet rule) การบอกจำนวนเวเลนซ์โดยทั่วไปมักจะใช้เลขละตินหรือกรีกเป็นคำนำหน้า เช่น ยูนิ-/มอนอ- (uni-/mono-) ไบ-/ได- (bi-/di-) เทอร์-/ไตร- (ter-/tri-) ควอดริ-/เตตระ- (quadri-/tetra-) ควินควิ-/เพนตะ- (quinque-/penta-) แทนเวเลนซ์เท่ากับ 1 2 3 4 และ 5 ตามลำดับ ตัวอย่างเช่น ซัลเฟตไอออน (SO42-) จัดเป็น ไอออนลบไดเวเลนต์ หรือ ไอออนลบไบเวเลนต์ เป็นต้น


เวเลนซ์และสถานะออกซิเดชัน

เนื่องจากความกำกวมของคำว่าเวเลนซ์ การใช้เลขออกซิเดชันในการอ่านชื่อสารแบบสตอก (Stock nomenclature) ของสารประกอบโคออร์ดิเนชัน (coordination compounds) [4]รวมถึงการใช้สัญกรณ์แลมบ์ดา (lambda notation) ในการอ่านชื่อสารอนินทรีย์[5] จึงจำเป็นต้องแยกความแตกต่างของคำว่า เวเลนซ์ และ สถานะออกซิเดชัน

สถานะออกซิเดชันนั้นพิจารณาการสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนเมื่ออะตอมเกิดพันธะเคมี โดยพิจารณาประจุได้จากการประมาณแบบไอออนิก (ionic apprximation) ซึ่งพิจารณาการมีส่วนร่วมของแต่ละอะตอมในออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (MO) หรือพิจารณาได้จากค่าอิเล็กโตรเนกาทิวิตีแบบอัลเลน (Allen's electronegativity) ซึ่งสถานะออกซิเดชันของอะตอมอาจจะมีค่าเป็นบวกหรือลบ และอาจเป็นจำนวนเต็มหรือไม่ก็ได้[6] ในขณะที่เวเลนซ์เป็นค่าจำนวนเต็มบวกเท่านั้น

ตัวอย่างสารประกอบที่เวเลนซ์มีค่าตรงกับค่าสัมบูรณ์ของสถานะออกซิเดชัน

สารประกอบ สูตร เวเลนซ์ สถานะออกซิเดชัน
ไฮโดรเจนคลอไรด์ HCl H = 1   Cl = 1 H = +1   Cl = −1
กรดเพอร์คลอริก HClO4 H = 1   Cl = 7   O = 2 H = +1   Cl = +7   O = −2
โซเดียมไฮไดรด์ NaH Na = 1   H = 1 Na = +1   H = −1
เฟอร์รัสออกไซด์ FeO Fe = 2   O = 2 Fe = +2   O = −2
เฟอร์ริกออกไซด์ Fe2O3 Fe = 3   O = 2 Fe = + 3   O = −2

ตัวอย่างสารประกอบที่เวเลนซ์มีค่าไม่ตรงกับค่าสัมบูรณ์ของสถานะออกซิเดชัน

สารประกอบ สูตร เวเลนซ์ สถานะออกซิเดชัน
คลอรีน Cl2 Cl = 1 Cl = 0
ไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ H2O2 H = 1   O = 2 H = +1   O = −1
อะเซทิลีน C2H2 C = 4   H = 1 C = −1   H = +1
เมอร์คิวรี(I)คลอไรด์ Hg2Cl2 Hg = 2   Cl = 1 Hg = +1   Cl = −1

เวเลนซ์อาจจะแตกต่างจากค่าสัมบูรณ์ของสถานะออกซิเดชันเนื่องจากความแตกต่างของสภาพขั้วของโมเลกุล เช่น ไดคลอโรมีเทน (CH2Cl2) คาร์บอนมีเวเลนซ์เท่ากับ 4 แต่มีสถานะออกซิเดชันเท่ากับ 0 เป็นต้น

ดูเพิ่ม

อ้างอิง

  1. ↑ Partington, James Riddick (1921). A text-book of inorganic chemistry for university students (1st ed.)
  2. ↑ IUPAC Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997).ISBN 0-9678550-9-8.
  3. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-08-037941-9.
  4. ↑ Clugston, M.; Flemming, R. (2000). Advanced Chemistry. Oxford University Press. pp. 214–215. ISBN 978-0199146338.
  5. ↑ Nomenclature of Inorganic Chemistry (IUPAC Recommendations 2005)
  6. ↑ Karen, Pavel; McArdle, Patrick; Takats, Josef (2014). Toward a comprehensive definition of oxidation state (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry 86 (6).