พันธะโคเวเลนต์

การเกิดพันธะโคเวเลนต์

    พันธะโคเวเลนต์ จะเป็นแรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุล ซึ่งเกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างคู่อะตอม เพื่อปรับตัวเองให้อยู่ในสภาพเสถียรการที่อะตอมเข้ามารวมกันเกิดเป็นโมเลกุลจะเป็นการลดพลังงานทำให้ระบบมีเสถียรภาพมากกว่าเดิม พลังงานศักย์ของอะตอมที่มารวมกันแล้ว จะมีค่าต่ำกว่าพลังงานศักย์ของอะตอมเดียว

ชนิดของพันธะโคเวเลนต์

พิจารณาจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันของอะตอมคู่ร่วมพันธะ ดังนี้

1. พันธะเดี่ยว เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมคู่สร้างพันธะทั้งสองใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน1 คู่ ใช้เส้น ( - ) แทนพันธะเดี่ยว

2. พันธะคู่ เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมคู่สร้างพันธะทั้งสองใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 คู่ ใช้เส้น 2 เส้น ( = ) แทน 1 พันธะคู่ เช่น พันธะระหว่าง O ใน O2, O กับ C ใน CO2, C กับ H ใน C2H4

3. พันธะสาม เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมคู่สร้างพันธะทั้งสองใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่ ใช้เส้น 3 เส้น ( ≡ ) แทน 1 พันธะสาม เช่น พันธะระหว่าง N กับ N ใน N₂ , N กับ C ใน HCN

การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารโคเวเลนต์

     สารประกอบโคเวเลนต์เป็นโมเลกุลของสารที่เกิดจากอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาสร้างพันธะโคเวเลนต์ต่อกันด้วยสัดส่วนต่าง ๆ กัน ทำให้เป็นการยากในการเรียกชื่อสาร จึงได้มีการตั้งกฎเกณฑ์ในการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์ขึ้น เพื่อให้สามารถสื่อความเข้าใจถึงลักษณะโครงสร้างของสารประกอบโคเวเลนต์ได้ตรงกัน โดยนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดหลักเกณฑ์ในการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์ไว้ดังนี้

     
1.ให้เรียกชื่อของธาตุที่อยู่ข้างหน้าก่อนแล้วตามด้วยชื่อของธาตุที่อยู่ด้านหลัง โดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ท้ายของธาตุเป็น (ไ-ด์) ดังตัวอย่างดังต่อไปนี้

ไฮโดรเจน  ออกเสียงเป็น   ไฮไดรต์

คาร์บอน     ออกเสียงเป็น   คาร์ไบด์

ไนโตรเจน  ออกเสียงเป็น  ไนไตรด์

ฟลูออรีน    ออกเสียงเป็น   ฟลูออไรด์

คลอรีน       ออกเสียงเป็น   คลอไรต์

ออกซิเจน   ออกเสียงเป็น   ออกไซต์

  
2.ระบุจำนวนอะตอมของธาตุไว้หน้าชื่อธาตุ โดยวิธีการระบุจำนวนอะตอมของธาตุจะระบุโดยใช้ชื่อตัวเลขในภาษากรีก ดังนี้

แต่มีข้อยกเว้น คือ ไม่ต้องมีการระบุจำนวนอะตอมของธาตุที่อยู่ด้านหน้าในกรณีที่ธาตุที่อยู่ด้านหน้ามีอยู่เพียงอะตอมเดียว และไม่จำเป็นต้องมีการระบุจำนวนอะตอมของธาตุในกรณีที่ธาตุที่อยู่ด้านหน้าเป็นธาตุไฮโดรเจน ไม่ว่าจะมีกี่อะตอมก็ตาม

โมเลกุลที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตต

      กฎออกเตตคือการที่อะตอมส่งอิเล็กตรอนมาใช้ร่วมกัน แล้วมีผลทำให้อิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดของแต่ละอะตอมครบแปดอิเล็กตรอนเหมือนกับโครงสร้างของก๊าซเฉื่อย   ซึ่งมีความเสถียรมาก  (ยกเว้น H ครบ 2 เหมือนกับ He) เช่น H₂O

  แต่สารโคเวเลนต์บางชนิดใช้กับกฎนี้ไม่ได้ จึงมีข้อยกเว้นดังนี้

ข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต

1.สารที่ไม่ครบออกเตต ได้แก่สารประกอบของธาตุ Be , B และ Al เช่น

ในโมเลกุลเบริลเลียมคลอไรด์ (BeCl₂) พบว่าเบริลเลียมมีอิเล็กตรอนล้อมรอบเพียง 4 อิเล็กตรอนเท่านั้น หรือในโมเลกุลของโบรอนไตรคลอไรด์ (BCl₃) พบว่าโบรอนมีอิเล็กตรอนเพียง 6 อิเล็กตรอนเท่านั้น

2.สารที่เกินออกเตต อะตอมของธาตุในโมเลกุลที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนมากกว่า 8 ได้แก่ สารประกอบของธาตุในคาบที่ 3หมู่ 4 เป็นต้นไป

ความยาวพันธะและพลังงานพันธะ

    พลังงานพันธะ หมายถึง พลังงานที่น้อยที่สุดที่ใช้เพื่อสลายพันธะที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมคู่หนึ่งๆในโมเลกุลในสถานะแก๊ส  พลังงานพันธะสามารถบอกถึงความแข็งแรงของพันธะเคมีได้   โดยพันธะที่แข็งแรงมากจะมีพลังงานพันธะมาก  และพันธะที่แข็งแรงน้อยจะมีพลังงานพันธะน้อย

    พลังงานพันธะ หมายถึง ค่าพลังงานเฉลี่ยของพลังงานสลายพันธะ ของอะตอมคู่หนึ่งๆ ซึ่งเฉลี่ยจากสารหลายชนิด เช่น การสลายโมเลกุลมีเทน (CH₄) ให้กลายเป็นอะตอมคาร์บอนและไฮโดรเจน

    ความยาวพันธะ หมายถึง ระยะระหว่างจุดศูนย์กลางของนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่เกิดพันธะกัน

แนวคิดเกี่ยวกับเรโซแนนซ์

          โมเลกุลโคเวเลนต์บางชนิดที่มีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล เช่น โมเลกุลโอโซน  (O₃) พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดระหว่างอะตอมของออกซิเจนกับออกซิเจนอีก 2 อะตอม ตามกฎออกเตตเขียนแสดงได้ดังนี้

          จากโครงสร้างลิวอิสทั้งสองนี้แสดงว่าออกซิเจนอะตอมกลางสร้างพันธะเดี่ยวกับออกซิเจนอะตอมหนึ่งและสร้างพันธะคู่กับออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลนี้มีความยาวไม่เท่ากัน แต่จากการศึกษาพบว่าความยาวพันธะระหว่างอะตอมออกซิเจนทั้งสองพันธะมีค่า 128 พิโกเมตรเท่ากัน ซึ่งเป็นค่าความยาวพันธะระหว่างพันธะเดี่ยวกับพันธะคู่ของออกซิเจนกับออกซิเจน (ความยาวพันธะของ O - O และ O = O เท่ากับ 148 และ 121 พิโกเมตรตามลำดับ) แสดงว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลเป็นพันธะชนิดเดียวกัน ดังนั้นโครงสร้างลิวอิส (ก) หรือ (ข) แบบใดแบบหนึ่งที่แสดงไว้ตอนแรกใช้แทนโมเลกุล  O₃ ไม่ได้ จึงเขียนแทนด้วย โครงสร้างเรโซแนนซ์ ดังนี้

รูปร่างของโมเลกุล

         การจัดเรียงอะตอมต่าง ๆ ในโมเลกุลโคเวเลนต์มีตำแหน่งและทิศทางที่แน่นอนจึงทำให้โมเลกุลโคเวเลนต์ของสารต่าง ๆ มีรูปร่างแตกต่างกัน สิ่งที่ใช้บอกรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์จะเป็นอย่างไรนั้น คือ การจัดเวเลนต์อิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางของธาตุในโมเลกุลโคเวเลนต์ นอกจากนั้นความยาวพันธะและมุมระหว่างพันธะยังสามารถใช้บอกรูปร่างโมเลกุลได้ด้วย

ความยาวพันธะ (Bond length) คือ ระยะทางระหว่างนิวเคลียสของอะตอมคู่หนึ่งที่มีพันธะต่อกัน

มุมระหว่างพันธะ (Bond angle) คือ มุมที่เกิดจากอะตอมสองอะตอมทำกับอะตอมกลางหรือมุมที่เกิดระหว่างพันธะสองพันธะ

หลักในการพิจารณารูปร่างโมเลกุล

          โมเลกุลโคเวเลนต์เกิดจากการยึดเหนี่ยวกันของอะตอมตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไป ที่มีความแตกต่างของค่า E.N.ต่างกันมากจนเกิดขึ้นเป็นประจุไฟฟ้าขึ้นอย่างเด่นชัด และจัดเรียงตัวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้าโครงสร้างของ โมเลกุลโควาเลนต์ในสามมิตินั้น สามารถพิจารณาได้จากการผลักกันของอิเล็กตรอนที่มีอยู่รอบๆ อะตอมกลางเป็นสำคัญ โดยอาศัยหลักการที่ว่า อิเล็กตรอนเป็นประจุลบ เหมือนๆ กัน ย่อมพยายามที่แยกตัวออกจากกันให้มากที่สุดเท่าที่จะกระทำได้ ดังนั้นการพิจารณาหาจำนวนกลุ่มของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ นิวเคลียสและอะตอมกลาง จะสามารถบ่งบอกถึงโครงสร้างของโมเลกุลนั้น ๆ ได้ โดยที่กลุ่มต่าง ๆ มีดังนี้

-อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

-อิเล็กตรอนคู่รวมพันธะ ได้แก่ พันธะเดี่ยว,พันธะคู่,พันธะสาม

สภาพขั้วของโมเลกุลโควาเลนต์

1. พันธะโคเวเลนต์ที่ไม่มีขั้ว

          อิเล็กตรอนคุ่ร่วมพันธะก็จะอยู่บริเวณกึ่งกลางของอะตอมทั้งสอง ทำให้อะตอมทั้งสองมีขั้วไฟฟ้าสมดุลกัน พันธะโคเวเลนต์นั้นจึงไม่มีขั้วไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่นCH_{4 ,}SF₆

2. พันธะโคเวเลนต์ที่มีขั้ว

          อะตอมของธาตุใดธาตุหนึ่งมีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนดีกว่า จะมีผลทำให้อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะไม่อยู่บริเวณกึ่งกลางระหว่างอะตอมทั้งสอง แต่จะเบี่ยงเบนไปทางด้านอะตอมที่สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่า

อะตอมทางด้านนี้มีขั้วไฟฟ้าเป็นลบ (เนื่องจากอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลยเอนเอียงมาอยู่ทางด้านมากกว่า) ส่วนด้านที่อยู่ห่างจากอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะมีขั้วไฟฟ้าบวก

ตัวอย่างเช่นH₂O , NH₃

แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์

การเปลี่ยนสถานะของสารต้องมีการให้ความร้อนแก่สาร เพื่อให้อนุภาคของสารมีพลังงานจลน์สูงพอที่จะหลุดออกจากกัน แสดงว่าสารแต่ละสถานะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ซึ่งเรียงลำดับจากมากไปน้อยดังนี้ 
ของแข็ง > ของเหลว > ก๊าซ

การเปลี่ยนสถานะของสารโคเวเลนต์ มีการทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเท่านั้น ไม่มีการทำลายพันธะเคมี ดังนั้นสารที่มีจุดเดือดจุดหลอมเหลวสูง แสดงว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูง

ประเภทของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์ มีดังนี้

แรงลอนดอน ( london foece ) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงอ่อนๆ ซึ่งเกิดขึ้นในสารทั่วไป และจะมีค่าเพิ่มขึ้นตามมวลโมเลกุลของสาร

แรงดึงดูดระหว่างขั้ว ( dipole – dipole force ) เป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าอันเนื่องมาจากแรงกระทำระหว่างขั้วบวกกับขั้วลบของโมเลกุลที่มีขั้ว

สารโคเวเลนต์ที่มีขั้ว มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล 2 ชนิดรวมอยู่ด้วยกันคือ แรงลอนดอนกับแรงดึงดูดระหว่างขั้ว และเรียกแรง 2 แรงรวมกันว่า แรงแวนเดอร์วาลส์

3. พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond , H – bond ) 
          คือ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่เกิดจากไฮโดรเจนอะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์ กับอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงๆและมีขนาดเล็ก ได้แก่ F , O และ N แล้วเกิดพันธะโคเวเลนต์มีขั้วชนิดมีสภาพขั้วแรงมาก ทั้งนี้เนื่องจากพันธะที่เกิดขึ้นนี้อิเล็กตรอนคู่รวมพันธะจะถูกดึงเข้ามาใกล้อะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง มากกว่าทางด้านอะตอมของไฮโดรเจนมาก และอะตอมของธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง ยังมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว จึงเกิดดึงดูดกันระหว่างอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวกับอะตอมของไฮโดรเจนชึ่งมีอำนาจไฟฟ้าบวกสูงของอีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้เกิดเป็นพันธะไฮโดรเจน

สารโควาเลนต์โครงผลึกร่างตาข่าย
         สารโคเวเลนต์ที่ศึกษามาแล้วมีโครงสร้างโมเลกุลขนาดเล็ก มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ แต่มีสารโคเวเลนต์บางชนิดมีจุดเดือดจุดหลอมเหลวจะสูงมาก  โครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ เพราะเกาะกันแบบโครงร่างตาข่าย เรียกว่า สารโครงผลึกร่างตาข่าย เช่น เพชร,แกรไฟต์,ซิลิกา

   เพชร (Diamond) 

เพชร เป็นอัญรูปหนึ่งของคาร์บอนและเป็นผลึกร่างตาข่าย โครงสร้างของเพชร ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน  ซึ่งคาร์บอนแต่ละอะตอมใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมดสร้างพันธะแบบโคเวเลนต์กับอะตอมคาร์บอน ไม่นำไฟฟ้า เพราะว่าคาร์บอนสร้างพันธะไปทุกทิศทุกทาง ทำให้เพชรมีความแข็งมากกว่าอัญรูปอื่น ๆ ของคาร์บอน

                  แกรไฟต์ (Graphite)

แกรไฟต์ เป็นผลึกโคเวเลนต์และเป็นอีกรูปหนึ่งของคาร์บอนแต่มีโครงสร้างต่างจากเพชร คือ อะตอมคาร์บอนจะสร้างพันธะ โคเวเลนต์ต่อกันเป็นวง วงละ 6 อะตอมต่อเนื่องกันอยู่ภายในระนาบเดียวกัน  ซึ่งการจัดเรียงตัวแบบโครงผลึกร่างตาข่ายนี้ทำให้แกรไฟต์มีจุดเดือดจุดหลอมเหลวสูง และสามารถนำไฟฟ้าได้  เนื่องจากคาร์บอนในโครงผลึกของ แกรไฟต์มี 4 เวเลนซ์อิเล็กตรอน  แต่ละอะตอมสร้างพันธะกับคาร์บอนข้างเคียง 3 อะตอม  จึงเหลืออีก 1 อิเล็กตรอนอิสระที่สามารถเคลื่อนที่ได้ภายในชั้น และแต่ละชั้นไม่ได้สร้างพันธะกัน จึงทำให้ระหว่างชั้นไม่มีความแข็งแรงมาก สามารถเลื่อนไถลได้ง่าย ทำให้มีสมบัติในการหล่อลื่น เราจึงนำไปทำไส้ดินสอ สารหล่อลื่น เป็นต้น

   ซิลิคอนไดออกไซด์ (SO₂ ) หรือซิลิกา

ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นผลึกโคเวเลนต์ที่มีโครงสร้างเป็นผลึกร่างตาข่าย อะตอมของซิลิคอนจัดเรียงตัวเหมือนคาร์บอนในผลึกเพชร แต่มีออกซิเจนคั่นอยู่ระหว่างอะตอมของซิลิคอนแต่ละคู่ ผลึกซิลิคอนไดออกไซด์จึงมีจุดหลอมเหลวสูง และมีความแข็งสูง ใช้เป็นวัสดุในการทำแก้ว ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอร์ตซ์ ใยแก้วนำแสง

สารประกอบอื่นๆ ของซิลิคอนที่มีโครงสร้างเป็นโครงผลึกร่างตาข่าย ได้แก่ ซิลิคอนคาร์ไบด์ ( SiC ) หรือ คาร์โบรันดัม มีจุดหลอมเหลวสูง มีความแข็งมาก ใช้ทำเครื่องบด เครื่องโม่ หินลับมีด