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

ธาตุในตารางธาตุหลายชนิดโดยเฉพาะธาตุหมู่หลักเราสามารถทำนายเวเลนซีของอะตอมได้จากต��แหน่งในตารางธาตุ 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 (SO₄^2-) 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

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

[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).

[1]