สวัสดีครับ วันนี้ผมมีเรื่องราวจะมาเล่าให้ฟัง เกี่ยวกับเคมี ม.4 เลย เผื่อสนใจครับ

...สมัยเรียนเคมี ม.4 เรื่องพันธะเคมี เคยทำนายรูปร่างของโมเลกุลโดยใช้แนวคิด VSEPR^#

และหลายคนในที่นี้คงคุ้นเคยกับโจทย์วิชาเคมีตอน ม.4 ว่า

โมเลกุล SF₄ มีรูปร่างอย่างไร?

จากโจทย์เชื่อว่าร้อยละ 80 เห็นปุ๊บตอบได้ทันที (ถ้าท่องมา) หรือใช้เวลาวาดรูปแล้วคิดไม่เกิน 3 นาทีก็บอกได้

ว่ามันมีรูปร่างแบบ "กระดานหก" หรือ "seesaw"



...แต่สิ่งที่พึงระลึกเสมอคือ นี่เป็นเพียง การทำนาย (prediction) เท่านั้น...

Sulphur tetrafluoride (SF₄) ถูกค้นพบเมื่อปี ค.ศ.1929 และมีการศึกษาโครงสร้างในสถานะแก๊สของมันโดยใช้เทคนิคไมโครเวฟสเปกโทรสโคปี (microwave spectroscopy) ในปี ค.ศ.1962 และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน (electron diffraction) ในปีถัดมา และสนับสนุนว่า SF₄ น่าจะมีรูปร่างเป็น seesaw อย่างที่ทำนายมา ...



...เหตุที่ไม่สามารถฟันธงได้ 100% หรือพูดได้อย่างมั่นใจว่าโครงสร้างเป็นอย่างไรนั้น เพราะการศึกษาทางสเปกโทรสโคปีนั้น เปรียบเสมือนกล่องดำที่บรรจุสิ่งของไว้ข้างใน (คอนเซปต์นี้ เคยเป็นแลปเปิดภาคเรียนของหลักสูตรโครงสร้าง 3 เรื่องอะตอม ที่มีกล่องปริศนาที่บรรจุวัตถุให้เด็กๆลองเขย่า เอาไม้เขี่ย แต่ห้ามดู แล้วลองวาดรูปสิ่งของข้างในออกมา) ...แต่เราสังเกตได้จากภายนอกโดยวิเคราะห์การตอบสนองต่อสิ่งต่างๆ เช่น การหมุนของโมเลกุล การสั่นของพันธะ การเรโซแนนซ์ของนิวเคลียส...ซึ่งแปลผลจากสัญญาณที่ได้เป็นชิ้นส่วนต่างๆของโมเลกุล แล้วมาประกอบกันเป็นโครงสร้างที่เป็นไปได้



บ่อยครั้งเสนอโครงสร้างมาเป็นไปได้หลายแบบ หรือบางทีไม่สามารถบอก โครงสร้างสัมบูรณ์ (absolute configuration) หรือโครงสร้างจริงๆได้ (เช่น ไม่สามารถบอกสมบัติทางสเตอริโอไอเคมีได้)...ทำยังไงล่ะทีนี้??

งานศึกษาโครงสร้างนั้น โครงสร้างของสถานะของแข็งจากการศึกษาการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์แบบผลึกเดี่ยว (single crystal X-ray diffraction) นั้น เป็นเทคนิคที่วัดการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์แล้ววิเคราะห์ข้อมูลที่ได้ด้วยวิธีการทางผลิกศาสตร์ (crystallography) ข้อมูลนั้นสามารถบอกได้ว่าโครงสร้างนั้นๆมีอะตอมต่อกันอย่างไร มีการจัดเรียงทางสเตอริโอเคมีอย่างไร คล้ายกับการเปิดกล่องปริศนาแล้วฉายภาพออกมาเป็นรูปภาพให้เห็นว่าสิ่งของข้างในกล่องปริศนาหน้าตาเป็นอย่างไร...

เช่น โมเลกุลทางซ้ายไม่สามารถบอกได้ว่ามีโครงสร้างทางจริงๆอย่างไร ต้องยืนยันโดยใช้โครงสร้างผลึกและการสังเคราะห์เพื่อตรวจสอบจึงจะบอกได้





กลับมาเข้าเรื่อง...
สำหรับโมเลกุล SF₄ นั้น กล่องปริศนาได้เปิดขึ้นเมื่อต้นปี ค.ศ.2013 นี้นี่เอง...เมื่อมีการรายงานโครงสร้างสัมบูรณ์ (absolute configuration) ของ SF₄ ในรูปของสารประกอบ [HNC₅H₃(CH₂)₂⁺]₂F^-...SF₄[SF₅^-]^.3SF₄



และเป็นการยืนยันรูปร่างของไอออนลบ SF₅^- ว่าเป็น พีระมิดฐานจัตุรัส (square pyramidal) อีกด้วย

....

บ่อยครั้ง สิ่งที่เราเจอในข้อสอบเรามักจะคิดว่ามันมีอยู่จริง หรือการออกข้อสอบอาจจะสมมุติโมเลกุลอะไรมาก็ได้ที่ใช้หลักการเดียวกัน เช่น SeF₄ หรือ SeF₅^- แต่เราต้องระวังว่า นั่นเป็นเพียงการทำนาย เท่านั้น และบ่อยครั้งที่การทำนายไม่ตรงกับผลการทดลอง

และนี่ไม่ใช่เฉลยข้อสอบ แต่เป็นการยืนยันว่ารูปร่างโมเลกุลที่เราทำนายในข้อสอบนั้นเป็นจริงด้วยผลการทดลอง...

ขอเล่าต่อนิดนึงครับ...เคยมีอาจารย์ในมหาวิทยาลัยท่านหนึ่งถามนักศึกษาในชั้นเรียนว่า ทำไม CH₄ ถึงมีรูปร่างทรงสี่หน้า (tetrahedral)? นักศึกษาก็หาคำอธิบายเยอะแยะ ขุดทฤษฎีต่างๆนานามาอธิบายทั้ง VSEPR, V.B.T. hydridisation ฯลฯ แต่สุดท้าย อาจารย์ท่านนั้นเฉลยว่า ...เป็นธรรมชาติของมัน...!!! เรารู้ได้อย่างไร? ...จากการทดลอง... แล้วอธิบายได้อย่างไร?  ...คำตอบก็เป็นอย่างที่พวกเธอตอบมานั่นแหละ... บ่อยครั้งเราก็ข้ามขั้นไปสร้างกฏธรรมชาติเลยทั้งๆที่เราพยายามอธิบายผลการทดลองและพยายามทำนายมันต่างหาก...

จบละครับ
มาแลกเปลี่ยนความคิดเห็นกันครับ
___________________________________________________________
อ่านเพิ่มเติม:
#Valence shell electron pair repulsion (VSEPR)
ทบทวนที่นี่ http://th.wikipedia.org/wiki/ทฤษฎีการผลักของคู่อิเล็กตรอน

¹The Solid-State Structure of SF4: The Final Piece of the Puzzle†
James T. Goettel, Nathan Kostiuk, Prof. Dr. Michael Gerken*
Article first published online: 19 JUN 2013 DOI: 10.1002/anie.201302917
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201302917/abstract
²Total Synthesis and Determination of the Absolute Configuration of 5,6-Dihydro-α-pyrone Natural Product Synargentolide B
Kavirayani R. Prasad * and Phaneendra Gutala
J. Org. Chem., 2013, 78 (7), pp 3313–3322 DOI: 10.1021/jo400083v
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jo400083v

³Fifty years of the VSEPR model  
Coordination Chemistry Reviews, Volume 252, Issues 12–14, July 2008, Pages 1315-1327
R.J. Gillespie
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854507001476