วันนี้อารมณ์ดี ขออธิบายแบบเล่าเรื่องยาวๆด้วยภาษาธรรมดาๆ
ก่อนจะอธิบาย แนะนำคำศัพท์ก่อนนะครับ ให้เข้าใจตรงกัน
_________________________________________________
ไฮบริด หรือ hybrid (adj.) = ลูกผสม
ไฮบริไดส์ hybridise (v.) = ผสม (mix)
ไฮบริไดเซชัน hybridisation (n.) = กระบวนการผสม (mixing)  
ไฮบริดออร์บิทัล (hybrid orbital) = ออร์บิทัลลูกผสม
_________________________________________________

ตอบคำถามทีละข้อนะครับ

1. การเกิดไฮบริดออร์บิทัล (Hybrid Orbital) เกิดขึ้นยังไง?

(ยาวนิดนึง เป็นคล้ายๆเรื่องเล่า เข้าใจได้ไม่ยากลองอ่านดูก่อนนะ)

แนวคิดเกี่ยวกับไฮบริดออร์บิทัลเนี่ย แรกเริ่มเดิมทีเกิดจากการอธิบายการเกิดพันธะของคาร์บอน C  ด้วยทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ (Valence Bond Theory: VBT) แล้วมันมีปัญหาเกิดขึ้น พูดง่ายๆ คือ คนคิดทฤษฎีนี้ "เงิบ" ไปต่อไม่ได้ ขอย้ำนะว่าเป็นแค่ทฤษฎีนะครับ มันไม่ใช่ กฎ

ทฤษฎีนี้หลักการง่ายๆ คือ อะตอมจะสร้างพันธะกับอะตอมอื่นๆต้องมีอิเล็กตรอนเดี่ยวในออร์บิทัล เพื่อใช้ในการจับคู่กับอิเล็กตรอนเดี่ยว (unpaired electron) ที่มาจากอะตอมอื่นๆอีกอะตอมโดยใช้ออร์บิทัลไปซ้อนเกย (overlap) กับอีกอะตอมหนึ่ง  (ไม่ขอลงรายละเอียดเรื่องควอนตัมนะครับ)

กรณีไฮโดรเจน (มีการจัดเรียงอิเล็กตรอน 1s¹) ไม่มีปัญหา เพราะแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนตัวเดียวเป็นอิเล็กตรอนเดี่ยว สามารถเกิดพันธะได้เลย แบบนี้



หรือ ฟลูออรีน (F มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น [He]2s²2p_x²2p_y2²p_z¹) มีอิเล็กตรอนเดี่ยวใน 2p_z ก็เกิดพันธะได้เป็นโมเลกุล F₂ ได้เลย แบบนี้



หรือการเกิดโมเลกุลโมเลกุลสารประกอบ เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) ก็เกิดได้เลยทำนองเดียวกัน



แต่กรณี คาร์บอน นั้นกลับ มีปัญหาเกิดขึ้น เนื่องจากคาร์บอนมีอิเล็กตรอนเดี่ยวแค่ 2 ตัว ดังนั้น ตามทฤษฎีควรจะพบสารประกอบ CH₂ ในธรรมชาติสิ แต่ไม่ใช่ ในชีวิตจริง เราพบว่าคาร์บอนสามารถเกิดพันธะเดี่ยวได้ 4 พันธะแน่ะ ในโมเลกุลของมีเทน CH₄ ⁱ

(คาร์บอนมีการจัดอิเล็กตรอน 1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p_z⁰)

เอาไงล่ะทีนี้ คนคิดทฤษฎีนี้ ⁱⁱ เขาจึงเสนอแนวคิดเกี่ยวกับ ไฮบริไดเซชัน (hybridisation) ขึ้นมา โดยพูดง่ายๆ คือ เขาพยายามหาคำอธิบายให้ได้ว่าอะตอมคาร์บอนมันเตรียมตัวเพื่อให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยว 4 ตัว เพื่อเกิดพันธะทั้ง 4 พันธะได้ยังไง โดยแนวคิดนี้มองว่าคาร์บอนมีการปรับตัวด้วยการเอาออร์บิทัลมา ไฮบริไดส์ (hybridise) หรือ ผสม (mix) กัน แล้วสร้าง "ออร์บิทัลใหม่" ขึ้นมา เรียกว่า ไฮบริดออร์บิทัล (hybrid orbital) หรือ ออร์บิทัลลูกผสม   

กรณีของมีเทนนั้น คาร์บอนต้องมีอิเล็กตรอนเดี่ยว 4 ตัว เขาจึงเสนอว่า มันต้องเกิด sp³ ไฮบริไดเซชัน ถึงจะมีอิเล็กตรอนเกี่ยว 4 ตัวได้ ใน 4 ออร์บิทัลใหม่ (note:sp³ อ่านว่า เอส-พี-ทรี หรือแบบไทยๆ คือ เอส-ดี-สาม เอา s ออร์บิทัลมา 1 เอา p ออร์บิทัลมา 3)

เกิดแบบนี้



หรือเป็นภาพสวยๆ (รูปก๊อบเค้ามา) ได้แบบนี้  



ทีนี้ก็สบายเลย เกิดพันธะได้ 4 พันธะกับไฮโดรเจน ได้โมเลกุลมีเทน แบบนี้



นอกจากนี้เนี่ย เจ้าคาร์บอนอาจจะเกิดแบบอื่นๆได้ อีก 2 แบบ คือ sp² และ sp ไฮบริไดเซชัน

sp² ไฮบริไดเซชัน
(อ่านว่า เอส-พี-ทู หรือแบบไทยๆ คือ เอส-ดี-สอง เอา s ออร์บิทัลมา 1 เอา p ออร์บิทัลมา 2)



หรือ รูปสวยๆได้แบบนี้



สังเกตว่า มี 2p ออร์บิทัลเหลือ 1 อัน ไม่ได้ถูกไฮบริไดส์ไปกับเขา เจ้า อันที่เหลือนี้มันก็จะตั้งฉากกับ sp² ไฮบริดออร์บิทัลที่เกิดใหม่ ลองนึกภาพ 2p_x 2p_y 2p_z วางตัวตามแกน x y z ถ้าเราใช้ 2p_x 2p_y ไป เราก็จะเหลือ 2p_z ที่ตั้งฉากกับอีก 2 อันนั้นถูกป่ะ? ออร์บิทัลอันนี้แหละ ที่มันเกิดพันธะไม่เหมือนชาวบ้านเขา เรียกว่า พันธะไพ (pi) หรือ พันธะพายยยยย คือ เอาข้างๆมาซ้อนเกย (overlap) กับชาวบ้าน ส่วน ไฮบริดออร์บิทัลทั่วไปก็จะซ้อนเกยกันแบบตรงๆตามแนวแกนจะเรียกว่าพันธะซิกมา (sigma) แบบนี้



ทีนี้ก็เกิดพันธะได้สบายเลย โดยมีทั้ง พันธะซิกมา และ พันธะไพ แบบนี้



อีกแบบคือ sp ไฮบริไดเซชัน รอบนี้ใช้แค่ 2p_x ก็จะเหลือ 2p_y 2p_z ตั้งฉากกันอยู่ และ sp ไฮบริดออร์บิทัลก็ไปตามแนวแกน x เท่านั้น

  

ภาพสวยๆแบบนี้



เวลาเกิดสารประกอบก็มันล่ะทีนี้ มีทั้งพันธะซิกมา และพันธะไพอีก 2 แนว




2. มีกี่ลักษณะครับ?

ตอบ มีเยอะแยะมากมายเลยครับ
ในตารางนี้เท่าที่เราเรียนตั้งแต่ ม.ปลาย จนถึงระดับมหาวิทยาลัย
จะเห็นได้ว่า ชนิดของไฮบริดออร์บิทัลสามารถทำนายรูปร่างโมเลกุลได้



ส่วนนี่ เป็นตัวอย่างอื่นๆ ที่จะพบได้หากเราทำวิจัย หรือศึกษาสารประกอบที่มากขึ้น
โดยเฉพาะสารประกอบโคออร์ดิเนชันของโลหะทั้งหลาย



นี่รูปร่างของบางอันที่แปลกหูแปลกตา แต่ก็เป็นไฮบริดออร์บิทัลที่ใช้อธิบายสมบัติของสารหลายตัว



และพันธะก็ไม่ได้มีแค่ พันธะซิกมา กับ พันธะไพ แค่สองอย่าง
แต่มีพันธะเดลตา พันธะ...บลา บลา บลา




3. ไฮบริดออร์บิทัล เหมือนกันหรือไม่กับคำว่า ไฮบริไดเซชัน (Hybridisation)?

ตอบ คือ ดูคำอธิบายศัพท์ข้างบน และตัวอย่างประโยคข้างล่างดูนะครับ

อะตอมของคาร์บอนใช้ 2s ออร์บิทัล และ 2p ออร์บิทัล ในการเกิดไฮบริไดเซชัน เพื่อสร้าง sp³ ไฮบริดออร์บิทัล

___________________________________
สรุปภาษาชาวบ้าน คือ ไฮบริไดเซชัน เป็นการรวมออร์บิทัลผสมเข้าด้วยกันเพื่อเกิดเป็นออร์บิทัลใหม่ เพื่อเตรียมความพร้อม (เตรียมอิเล็กตรอนเดี่ยวและออร์บิทัล) ในการเกิดพันธะ พึงระลึกไว้เสมอว่ามันไม่ใช่กฎ ไม่ใช่ว่า คุณเกิดมาเป็นอะตอมคาร์บอนคุณต้องเป็นแบบนี้เท่านั้น แต่เป็นแนวคิดที่เกิดขึ้นมาเพื่ออธิบายสมบัติบางประการของสารเท่านั้นเอง และธาตุอื่นๆก็เกิดได้ แต่ไม่ขอลงรายละเอียด อยากรู้อ่านเพิ่มเองนะครับ และแนวคิดนี้ไม่ใช่กฎเพราะมันอธิบายได้เพียงการเกิดพันธะและรูปร่างโมเลกุล แต่ไม่สามารถอธิบายสมบัติอื่นๆได้ เช่น การเกิดสี สมบัติแม่เหล็ก ต้องใช้ทฤษฎีอื่นๆมาอธิบาย เช่น ทฤษฎีออร์บิทัลเชิงโมเลกุล (Molecular Orbital Theory: MOT) ที่อธิบายการเกิดพันธะ การเกิดสเปกตรัม สมบัติแม่เหล็กได้ แต่ดันอธิบายรูปร่างไม่ได้ และทฤษฎีอื่นๆมากมาย

ⁱ จากเรื่องนี้จะเห็นได้ว่า ถ้าในธรรมชาติ เราพบ CH₂ เต็มไปหมด แทนที่จะเป็น CH₄ แนวคิดนี้อาจจะไม่เกิดก็ได้ในตอนนั้น ดังนั้น ยังอาจจะมีแนวคิดและทฤษฎีที่พร้อมจะถูกสร้างขึ้นมาอธิบายปรากฏการณ์เหล่านี้ได้เสมอๆ ไม่ได้เป็นกฏธรรมชาติครอบจักรวาลที่รอการค้นพบอย่างเดียว  

ⁱⁱ คนคิดแนวคิดและทฤษฎีที่ว่านี้ คือ ลินัส เพาลิง (Linus Pauling) เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีจากการศึกษาเกี่ยวกับธรรมชาติของพันธะเคมี นั่นเอง อ่านเพิ่มได้ที่  THE NATURE OF THE CHEMICAL BOND มีบทความวิจัยเป็นซีรี่ย์เลย

___________________________________
อ่านเพิ่ม:

1. THE NATURE OF THE CHEMICAL BOND. APPLICATION OF RESULTS OBTAINED FROM THE QUANTUM MECHANICS AND FROM A THEORY OF PARAMAGNETIC SUSCEPTIBILITY TO THE STRUCTURE OF MOLECULES
Linus. Pauling., J. Am. Chem. Soc., 1931, 53 (4), pp 1367–1400 DOI: 10.1021/ja01355a027
http://dx.doi.org/10.1021/ja01355a027

2. Atomic orbitals, symmetry, and coordination polyhedra (Review Article)
R.Bruce King., Coordination Chemistry Reviews, Volume 197, Issue 1, February 2000, Pages 141-168
http://dx.doi.org/10.1016/j.bbr.2011.03.031

3. Orbital hybridisation
http://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_hybridisation

ขอบคุณภาพจาก:

1. Chemistry. Rothstein, Logan McCarty and Robert C. Fay (2003). eText.

2. Atomic orbitals, symmetry, and coordination polyhedra (Review Article)
R.Bruce King., Coordination Chemistry Reviews, Volume 197, Issue 1, February 2000, Pages 141-168
http://dx.doi.org/10.1016/j.bbr.2011.03.031