เวเลนซ์

เวเลนซ์ หรือ เวเลนซี (อังกฤษ: valence or valency) ของธาตุเคมีเป็นการระบุความสามารถของอะตอมในการเกิดเป็นสารประกอบหรือโมเลกุล โดยหลักการเกี่ยวกับเวเลนซีนี้ได้ถูกพัฒนาในครึ่งหลังของคริสต์ศตวรรษที่ 19 และใช้ในการอธิบายโครงสร้างของสารได้ทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ 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) ของอะตอมสามารถพิจารณาได้จากจำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่รวมตัวกับธาตุนั้นๆ 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") ตัวอย่างเวเลนซ์ของอะตอมต่างๆแสดงดังตาราง

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) สูงสุดที่อาจรวมกับอะตอมหนึ่งๆของธาตุที่กำลังพิจารณา โดยที่อะตอมของธาตุนั้นๆจะสามารถถูกแทนที่ได้"

อย่างไรก็ตาม มีการนิยามคำว่าเวเลนซ์ในหนังสืออื่นๆเช่น "เวเลนซ์ คือ จำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่สามารถรวมตัวกับธาตุหนึ่งๆในสารประกอบธาตุคู่ไฮไดรด์ (binary hydride) หรือสองเท่าของจำนวนอะตอมออกซิเจนที่รวมกับธาตุนั้นๆในสารประกอบออกไซด์ชนิดหนึ่งๆหรือหลายชนิด" ซึ่งจะเห็นได้ว่านิยามอย่างหลังได้ขยายความอีกนัยหนึ่งว่าเวเลนซ์ของอะตอมธาตุชนิดหนึ่งๆอาจมีได้หลายค่านั่นเอง

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 (SO₄^2-) จัดเป็น ไอออนลบไดเวเลนต์ หรือ ไอออนลบไบเวเลนต์ เป็นต้น

เวเลนซ์และสถานะออกซิเดชัน

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

สถานะออกซิเดชันนั้นพิจารณาการสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนเมื่ออะตอมเกิดพันธะเคมี โดยพิจารณาประจุได้จากการประมาณแบบไอออนิก (ionic apprximation) ซึ่งพิจารณาการมีส่วนร่วมของแต่ละอะตอมในออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (MO) หรือพิจารณาได้จากค่าอิเล็กโตรเนกาทิวิตีแบบอัลเลน (Allen's electronegativity) ซึ่งสถานะออกซิเดชันของอะตอมอาจจะมีค่าเป็นบวกหรือลบ และอาจเป็นจำนวนเต็มหรือไม่ก็ได้ 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

• สถานะออกซิเดชัน
• เวเลนซ์อิเล็กตรอน
• โมเลกุลไฮเพอร์เวเลนต์

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).