เวเลนซ์

เวเลนซ์ หรือ เวเลนซี () ของธาตุเคมีเป็นการระบุความสามารถของอะตอมในการเกิดเป็นสารประกอบหรือโมเลกุล โดยหลักการเกี่ยวกับเวเลนซีนี้ได้ถูกพัฒนาในครึ่งหลังของคริสต์ศตวรรษที่ 19 และใช้ในการอธิบายโครงสร้างของสารได้ทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์Partington, James Riddick (1921). A text-book of inorganic chemistry for university students (1st ed.) 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)   โซเดียมไซยาไนด์NaCN  ไฮโดรเจนซัลไฟด์(H2S)   กรดซัลฟิวริก(H2SO4)   ไดคลอรีนเฮปทอกไซด์(Cl2O7)  แผนภาพ 100px 100px 40px  100px 80px 100px 140px เวเลนซี่ คาร์บอน, 4ไฮโดรเจน, 1 คาร์บอน, 4ไฮโดรเจน, 1 ไนโตรเจน, 3ไฮโดรเจน, 1 โซเดียม, 1คาร์บอน, 4 ไนโตรเจน, 3 กำมะถัน, 2ไฮโดรเจน, 1 กำมะถัน, 6ออกซิเจน, 2ไฮโดรเจน, 1 คลอรีน, 7ออกซิเจน, 2

แนวคิดเกี่ยวกับเวเลนซ์ใช้ในการอธิบายการเชื่อมต่อของอะตอมในโครงสร้างของสารได้แต่ไม่สามารถบอกรูปร่างหรือรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล และไม่สามารถอธิบายโครงสร้างที่เป็นโครงข่ายขนาดใหญ่ เช่น โครงข่ายโคเวเลนต์และสารประกอบไอออนิกได้

 นิยาม 

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

อย่างไรก็ตาม มีการนิยามคำว่าเวเลนซ์ในหนังสืออื่น ๆเช่น "เวเลนซ์ คือ จำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่สามารถรวมตัวกับธาตุหนึ่ง ๆ ในสารประกอบธาตุคู่ไฮไดรด์ (binary hydride) หรือสองเท่าของจำนวนอะตอมออกซิเจนที่รวมกับธาตุนั้น ๆ ในสารประกอบออกไซด์ชนิดหนึ่ง ๆ หรือหลายชนิด"Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-08-037941-9. 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) Clugston, M.; Flemming, R. (2000). Advanced Chemistry. Oxford University Press. pp. 214–215. ISBN 978-0199146338.รวมถึงการใช้สัญกรณ์แลมบ์ดา (lambda notation) ในการอ่านชื่อสารอนินทรีย์Nomenclature of Inorganic Chemistry (IUPAC Recommendations 2005) จึงจำเป็นต้องแยกความแตกต่างของคำว่า เวเลนซ์ และ สถานะออกซิเดชัน 

สถานะออกซิเดชันนั้นพิจารณาการสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนเมื่ออะตอมเกิดพันธะเคมี โดยพิจารณาประจุได้จากการประมาณแบบไอออนิก (ionic apprximation) ซึ่งพิจารณาการมีส่วนร่วมของแต่ละอะตอมในออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (MO) หรือพิจารณาได้จากค่าอิเล็กโตรเนกาทิวิตีแบบอัลเลน (Allen's electronegativity) ซึ่งสถานะออกซิเดชันของอะตอมอาจจะมีค่าเป็นบวกหรือลบ และอาจเป็นจำนวนเต็มหรือไม่ก็ได้Karen, Pavel; McArdle, Patrick; Takats, Josef (2014). Toward a comprehensive definition of oxidation state (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry 86 (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 = −2โซเดียมไฮไดรด์ NaH  Na = 1   H = 1  Na = +1   H = −1เฟอร์รัสออกไซด์  FeO  Fe = 2   O = 2  Fe = +2   O = −2เฟอร์ริกออกไซด์  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 
สถานะออกซิเดชัน
เวเลนซ์อิเล็กตรอน
โมเลกุลไฮเพอร์เวเลนต์

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:สมบัติทางเคมี