นิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 197 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2558

53 / 61

53
ปีที่ 44 ฉบับที่ 197 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2558
ในสมัยก่อนที่ต�ำรา “The Nature of Chemical
Bonds” จะปรากฏ นักเคมีเคยอธิบายพันธะต่าง ๆ ตามวิธี
คิดของ Edward Frankland ซึ่งได้เสนอตั้งแต่ปี ค.ศ. 1866
ว่า พันธะเคมีมีบทบาทคล้ายคลึงกับแรงโน้มถ่วง แม้แต่ Jons
Jakob Berzelius ก็ยังคิดว่า อันตรกริยาในพันธะเป็นแรง
ไฟฟ้าที่เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างประจุตรงกันข้าม และ
แนวคิดนี้ก็ได้รับการยืนยันว่ามีส่วนถูกต้องเมื่อมีการพบ
อิเล็กตรอนในปี ค.ศ. 1897 และมีการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน
ที่มีประจุลบระหว่างอะตอม ไอออนที่เหลือจึงมีประจุบวก
แต่ G.N.I. Lewis แห่งมหาวิทยาลัย California ที่
Berkeley กลับคิดว่าพันธะเคมีอาจจะเกิดจากการที่อะตอม
ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันมิใช่เกิดจากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน
ซึ่งพันธะลักษณะนี้ Irving Langmuir ได้ตั้งชื่อว่าพันธะแบบ
covalent ที่อาจจะเกิดได้ระหว่างอะตอมที่เป็นกลาง
ลุถึงปี ค.ศ. 1916 Lewis จึงได้เสนอความคิดเพิ่มเติม
ว่า อะตอมอาจจะเสถียรได้ถ้าอะตอมมีอิเล็กตรอน8อิเล็กตรอน
อยู่ที่มุมทั้ง 8 ของลูกบาศก์โครงสร้างของอะตอมและ octet
ที่เกิดขึ้นนี้จะเชื่อมโยงเป็นพันธะกับอะตอมอื่นต่ อไป
แนวคิดเรื่อง octet ของ Lewis ได้รับการยืนยันเมื่อ Niels Bohr
เสนอทฤษฎีควอนตัมของอะตอมไฮโดรเจนว่า octet เกิดจาก
การที่อิเล็กตรอนในอะตอมมีพลังงานแตกต่างกัน
ในปี 1922 หนุ่ม Pauling วัย 21 ปีที่มีฐานะยากจน
จากรัฐ Oregon ได้รับทุนไปศึกษาต่อที่สถาบัน California
Institute of Technology แต่เขากลับมิได้เห็นด้วยกับ
ความคิดที่แตกต่างกันเหล่านี้ และปักใจเชื่อว่า กลศาสตร์
ควอนตัมคือเหตุผลเดียวเท่านั้นที่จะอธิบายพันธะเคมีได้
Pauling มิได้เป็นนักเคมีเพียงคนเดียวที่คิดเช่นนี้ อาจารย์
ของ Pauling ชื่อ Richard Tolman ก็เห็นพ้องกับเขา
แต่ Pauling โชคดีกว่าอาจารย์ เมื่อเขาได้ทุน Guggenheim
ไปท�ำวิจัยเคมีที่ยุโรปในปี ค.ศ. 1926 ซึ่งเป็นเวลาที่ทฤษฎี
ควอนตัมเพิ่งถือก�ำเนิดใหม่ ๆ
Pauling จึงได้มีโอกาสพบ Bohr ที่ Copenhagen
ในเดนมาร์ก สนทนากับ Arnold Sommerfeld ที่ Munich ใน
เยอรมนีและErwinSchroedingerที่Zurichในสวิสเซอร์แลนด์
นอกจากนี้ก็ยังได้ปรึกษากับ Fritz London และลูกศิษย์
ชื่อ Walter Heitler ด้วย ซึ่งคนทั้งสองได้เสนอทฤษฎีโมเลกุล
ไฮโดรเจนที่ประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอมใน
ปี ค.ศ.1927 โดยใช้ทฤษฎีควอนตัมประมาณฟังก์ชันคลื่นของ
โมเลกุล แล้วใช้สมการของ Schroedinger ค�ำนวณต่อจนได้
ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวที่สอดคล้องกับผลการทดลอง
Pauling จึงคิดต่อยอดผลงานนี้ โดยการพิจารณา
ให้พันธะเคมีระหว่ างอะตอมเกิดจากการทับซ้อนของ
วงโคจรอิเล็กตรอน และได้เสนอแนวคิดใหม่เรื่อง เรโซแนนซ์
(resonance) ในโมเลกุล เช่น ซึ่งเป็นโมเลกุลไฮโดรเจน
ที่ตามปกติควรมีอิเล็กตรอน 2 อิเล็กตรอน แต่ได้สูญเสีย
อิเล็กตรอนไป 1 อิเล็กตรอน ดังนั้นอิเล็กตรอนที่เหลือ
ในมุมมองของ Pauling จึงอาจเป็นของอะตอมไฮโดรเจน
ตัวหนึ่งตัวใดก็ได้ นั่นคือในโมเลกุลมีการ “สั่นพ้อง” (resonate)
ของอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมทั้งสอง
H 2+
นอกจากนี้ Pauling ยังได้เสนอแนวคิดเรื่อง ไฮบริด
(hybrid) ด้วย เช่น โมเลกุล methane ซึ่งประกอบด้วยอะตอม
คาร์บอน 1 อะตอมที่ยึดโยงด้วยพันธะเคมีกับอะตอมคาร์บอน
4 อะตอมเป็นโมเลกุล CH และมีโครงสร้างแบบ (tetrahedron)
ในโมเลกุลนี้ อิเล็กตรอน ออร์บิทัล (orbital) มีโครงสร้าง
แบบ sp3 คือมีทั้งอิเล็กตรอน ออร์บิทัลแบบ 2s และอิเล็กตรอน
แบบ 2p จ�ำนวน 3 อิเล็กตรอน
Pauling ได้เสนอแนวคิดที่ส�ำคัญมากเรื่อง เรโซแนนซ์
และไฮบริไดเซชัน (hybridization) ในหนังสือชื่อ“The
Nature of the Chemical Bonds” ในช่วงปี ค.ศ. 1928-31
และในเวลาต่อมาแนวคิดนี้ได้ถูกน�ำไปอธิบายพันธะโลหะ
และ พันธะไฮไดรเจน ด้วย ซึ่งต่างก็ให้ผลที่สอดคล้องกับการ
ทดลองทั้งในเรื่องความยาวพันธะและขนาดของไอออน
ทฤษฎี พันธะเวเลนซ์ valence-bond ของ Pauling
มิได้เป็นทฤษฎีเดียวที่เป็นที่ยอมรับในสมัยนั้น เพราะในเวลา
เดียวกัน Robert Mulliken แห่งมหาวิทยาลัย Chicago และ
Friedrich Hund แห่งมหาวิทยาลัย Göttingen ก็ได้
เสนอทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (molecular orbital) ที่มี
นิวเคลียส และ อีเล็กตรอนมากมายจึงเหมาะที่จะใช้กับ
โมเลกุล เช่น benzene, naphthalene และ ferrocene
ในด้านความถูกต้อง แบบจ�ำลองทั้งสองนี้ให้ผลดีพอกัน
แต่แบบ ออร์บีทัลเชิงโมเลกุล สะดวกใช้กว่า กระนั้น Pauling
ก็ไม่เคยยอมรับในประเด็นนี้ แต่สาเหตุที่คนทั้งโลกชื่นชม
Pauling ยิ่งกว่า Mulliken เพราะ Pauling เขียนหนังสือ
และอธิบายประเด็นต่าง ๆ ได้ดีกว่า
4