พันธะโคเวเลนต์

3.3 พันธะโคเวเลนต์

     สารที่เกิดจากธาตุอโลหะรวมตัวกันเช่นแก๊สออกซิเจนแก๊สไนโตรเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ การยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุในสารเหล่านี้เป็นพันธะไอออนิกหรือไม่เพราะเหตุใด

3.3.1 การเกิดพันธะโคเวเลนต์
ธาตุอโลหะมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงดังนั้นเมื่อรวมตัวกันจะไม่มีอะตอมใดยอมเสียอิเล็กตรอน อะตอมจึงยึดเหนี่ยวกันโดยใช้เวเลนซ์เล็กตรอนร่วมกันเรียกการยึดเหนี่ยวในว่าพันธะโคเวเลนต์แล้วนะสารที่อะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ว่าสารโคเวเลนต์ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในรูปโมเลกุลโดยการเกิดพันธะในโมเลกุลโคเวเลนต์ส่วนใหญ่เป็นไปตามกฎออกเตตดังตัวอย่าง
คลอรีนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 ดังนั้นข้อดีทั้ง 2 อะตอมจะใช้เวลาดิจิตอลร่วมกัน 1 คู่เพื่อให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 ตามกฎออกเตต เขียนแผนภาพและสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสแสดงการเกิดพันธะได้ดังนี้

                              

พันธะโคเวเลนต์ในโมเลกุลแก๊สคลอรีนเกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่พันธะนี้เรียกว่าพันธะเดี่ยว ด้วยอิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันในการเกิดพันธะเรียกว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะส่วนอิเล็กตรอนคู่ที่ไม่ได้เกิดพันธะเรียกว่าอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวซึ่งในโมเลกุลแก๊สคลอรีนมีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 1 คู่และมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 6 คู่

อีกทั้งยังมีการเกิดพันธะในโมเลกุล ออกซิเจนแต่ละอะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 6 ดังนั้นออกซิเจนทั้ง 2 อะตอมจะใช้เวทีเล็กตอนร่วมกัน 2 คู่เพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต เกิดพันธะโคเวเลนต์แบบพันธะคู่ นอกจากนี้พันธะโคเวเลนต์ยังอาจเป็นพันธะสาม เช่นในโมเลกุลแก๊สไนโตรเจนไนโตรเจนแต่ละอะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 5 ดังนั้นไนโตรเจนทั้ง 2 อะตอมจะใช้เวลาที่เล็กตอนร่วมกัน 3 คู่เพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต

นโครงสร้างลิวอิส อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะสามารถแสดงได้ด้วยเส้นพันธะในขณะที่อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวแสดงด้วยจุดคู่เสมอเช่นโมเลกุลแอมโมเนียมีเส้นพันธะ N-H 3 พันธะ แทนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 3 คู่ ในขณะที่อีเล็คตรอนคู่โดดเดี่ยว 1 คู่แสดงด้วยจุดคู่บนอะตอมไนโตรเจนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวนี้สามารถสร้างพันธะกับ H^+ เกิดเป็นแอมโมเนียมไอออน จำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางยังคงเป็นไปตามกฎออกเตต ในกรณีที่พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดขึ้นมาจากอะตอมไนโตรเจนเท่ากัน

3.3.2 การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารโคเวเลนต์

     สูตรโมเลกุลของสารโคเวเลนต์โดยทั่วไปเขียนสัญลักษณ์ของธาตุองค์ประกอบโดยเรียงลำดับจากค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยไปมากพร้อมทั้งระบุจำนวนอะตอมของธาตุที่มีจำนวนอะตอมมากกว่า 1 อะตอมยกเว้นสามารถชนิดเช่น NH3 และ CH4 ทั้งที่ถ้าไนโตรเจนและธาตุคาร์บอนมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าธาตุไฮโดรเจน
การเรียกชื่อสารโคเวเลนต์มีหลักการดังนี้

1.สารโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยธาตุชนิดเดียวกันเรียกตามชื่อท่านนั้นซึ่งท่านเหล่านี้ส่วนใหญ่มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้องจึงนิยมเรียกชื่อโดยระบุสถานะด้วยเพื่อให้ทราบว่าเป็นการกล่าวถึงโมเลกุลที่ไม่ใช่อะตอมของธาตุเช่นแก๊สออกซิเจน

2.สารโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยธาตุ 2 ชนิดให้เรียกชื่อธาตุตามลำดับที่ปรากฏในสูตรโมเลกุลโดยเปลี่ยนพยางค์ท้ายเป็น -ide และระบุจำนวนอะตอมองค์ประกอบ ในโมเลกุลด้วยคำภาษากรีก

3.3.3 ความยาวพันธะและพลังงานพันธะของสารโคเวเลนต์

อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมเคลื่อนที่เข้ากันจะเกิดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งกับโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมหนึ่งขณะเดียวกันก็มีแรงผลักระหว่างโปรตอนกับโปรตอนและอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนของอะตอมทั้งสองด้วย แรงดึงดูดทำให้พลังงานศักย์ลดลงแต่แรงผลักทำให้พลังงานศักย์เพิ่มขึ้น ทำให้พลังงานศักย์รวมลดลงแล้วเพิ่มขึ้นตามระยะห่างระหว่างนิวเคลียสโดยมีผลรวมพลังงานศักย์ต่ำที่สุดเมื่อระยะทางระหว่างนิวเคลียสทั้งสองเท่ากับ 74 พิโกเมตร ถ้าอะตอมเคลื่อนที่เข้าใกล้กันมากกว่านี้และหากจะมีมากกว่าแรงดึงดูดซึ่งทำให้พลังงานศักย์รวมเพิ่มขึ้น

                                     

         จากรูประยะห่างระหว่างนิวเคลียสที่ทำให้พลังงานศักย์รวมต่ำที่สุดเรียกว่าความยาวพันธะ ในทางปฏิบัติความยาวพันธะได้จากการศึกษาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เมื่อผ่านโครงผลึกของสารหรือจากการวิเคราะห์สเปกตรัมของโมเลกุลสาร ซึ่งพบว่าความยาวพันธะมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามขนาดอะตอมคู่ร่วมพันธะและการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันทำให้ความยาวพันธะโคเวเลนต์สั้นกว่าผลรวมของรัศมีอะตอมอิสระที่มาสร้างพันธะกันสำหรับอะตอมคู่ร่วมพันธะเดียวกันความยาวพันธะจะลดลงจากพันธะเดี่ยวพันธะคู่และพันธะสามตามลำดับอย่างไรก็ตามความยาวพันธะชนิดเดียวกันระหว่างอะตอมคู่เดียวกันอาจจะไม่เท่ากันในสารต่างชนิดกัน

                         ในการประมาณความยาวพันธะระหว่างอะตอมคู่หนึ่ง โดยทั่วไปนิยมใช้ความยาวพันธะเฉลี่ย การศึกษาความยาวพันธะของโมเลกุลโคเวเลนต์นำไปสู่การอธิบายการเกิดพันธะในโมเลกุลของสารโคเวเลนต์บางชนิดที่สามารถเขียนโครงสร้างลิวอิสตามกฎออกเตตได้มากกว่า 1 โครงสร้างเช่นโมเลกุลโอโซนมีโครงสร้างลิวอิส 2 โครงสร้างซึ่งประกอบด้วยพันธะเดี่ยวและพันธะคู่ระหว่างออกซิเจนที่ควรมีค่าความยาวพันธะไม่เท่ากัน แต่จากการศึกษาพบว่าความยาวพันธะระหว่างออกซิเจนมีค่าเท่ากับ 128 พิโกเมตรเพียงค่าเดียว ซึ่งเป็นค่าที่อยู่ระหว่างความยาวพันธะ O-O (148 พิโกเมตร) และพันธะ O=O (121 พิโกเมตร) แสดงว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลโอโซนเป็นพันธะชนิดเดียวกันที่อาจอธิบายได้โดยทฤษฎี เรโซแนนซ์ ว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 1 คู่เคลื่อนย้ายไปมาระหว่างอะตอมทั้ง 3 ทำให้เกิดโครงสร้างผสมระหว่าง 2 โครงสร้างการเคลื่อนย้ายตำแหน่งของอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะในโมเลกุลที่เขียนโครงสร้างลิวอิสได้มากกว่าหนึ่งแบบเรียกว่า เรโซแนนซ์ และเรียกโครงสร้างลิวอิสแต่ละแบบว่า โครงสร้างเรโซแนนซ์ โดยแสดงการเกิดเรโซแนนซ์ระหว่างโครงสร้างด้วยลูกศร 2 หัวและเรียกโครงสร้างผสมของโครงสร้างเรโซแนนซ์ทุกโครงสร้างว่าโครงสร้างเรโซแนนซ์ผสม

ฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสลายพันธะในสารตั้งต้นและการสร้างพันธะเกิดเป็นผลิตภัณฑ์โดยการสลายพันธะเป็นกระบวนการดูด (E1) พลังงานซึ่งมีค่าเป็นบวกและการสร้างพันธะจะมีค่าเป็นลบเป็นกระบวนการคายพลังงาน (E2) และพลังงานของปฏิกิริยา (เดลต้า H) คำนวณได้จากผลรวมของ

 E1 และ E2 เดลต้า H = E1 + E2 

                         ถ้าพลังงานที่ใช้สลายพันธะมีค่ามากกว่าพลังงานที่ใช้สร้างพันธะจะได้ เดลต้า H มีเครื่องหมายเป็นบวก แสดงว่าปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาดูดพลังงานในทางกลับกันถ้าพลังงานที่คายออกมาจากการสร้างสรรค์ๆมีค่ามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้สลายพันธะ จะได้เดลต้า H มีเครื่องหมายเป็นลบ แสดงว่าปฏิกิริยานั้นเป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน

3.3.4 รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ 

โมเลกุลโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอมนอกจากความยาวพันธะและพลังงานพันธะแล้วข้อมูลที่ใช้ในการอธิบายสมบัติของสารคือ รูปร่างโมเลกุล ในโมเลกุลของน้ำคาร์บอนไดออกไซด์แอมโมเนียและโบรอนไตรฟลูออไรด์มีรูปร่างเป็นโมเลกุลที่ต่างกันหรือไม่อย่างไรเนื่องจากโมเลกุลมีขนาดเล็กมากจึงไม่สามารถพิจารณารูปร่างโมเลกุลได้โดยตรงและสามารถศึกษาเกี่ยวกับรูปร่างโมเลกุลโดยการจำลองตำแหน่งของคู่อิเล็กตรอน ในการทดลอง

จากการทดลองสรุปได้ดังนี้ ------->รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์

3.3.5 สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์

สารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวกันเช่นแก๊สไฮโดรเจนมีการกระจายของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะระหว่างอะตอมทั้งสองเท่ากันทั้งๆที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้จะเรียกว่าพันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้วและสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกันจะมีการกระจายของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะระหว่างอะตอมไม่เท่ากันเช่นไฮโดรเจนคลอไรด์มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะอยู่บริเวณอะตอมคลอรีนมากกว่าอะตอมไฮโดรเจนเพราะอะตอมคลอรีนมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะตอมไฮโดรเจนทำให้อะตอมของดีแสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างรถยนต์อะตอมไฮโดรเจนมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยกว่าแสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก ที่เกิดขึ้นลักษณะนี้เรียกว่าพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว การแสดงขั้วของพันธะอาจใช้สัญลักษณ์ เดลต้าบวก สำหรับอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก และเดลต้าลบ สำหรับอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบหรืออาจใช้เครื่องหมายโดยให้หัวลูกศรหันชี้ไปในทิศของอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบส่วนท้ายลูกศร ที่มีลักษณะคล้ายเครื่องหมายบวกให้อยู่บริเวณอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก

ขั้วของพันธะทำให้โมเลกุลอะตอมคู่ที่ประกอบด้วยธาตุชนิดเดียวกันเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วโมเลกุลอะตอมคู่ที่ประกอบด้วยธาตุต่างชนิดกันเป็นโมเลกุลมีขั้วและโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอม และพันธะระหว่างครูอะตอมเป็นพันธะมีขั้วจะเป็นโมเลกุลมีขั้วหรือไม่อย่างไร สภาพขั้วของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอมพิจารณาจากการรวมสภาพขั้วของพันธะแบบเวกเตอร์ ซึ่งถ้าเวกเตอร์ หักหลังกันหมดจะทำให้โมเลกุลไม่มีขั้วแต่ถ้าเวกเตอร์แทนละกันไม่หมดโมเลกุลจะเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว

                          

    สำหรับโมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหรือมีอะตอมล้อมรอบเป็นธาตุต่างชนิดกันส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลมีขั้วเนื่องจากเวกเตอร์สภาพขั้วของพันธะหักล้างกันไม่หมด

      โมเลกุลอะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลแบบมีขั้วและมีบางชนิดอาจเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วเนื่องจากมีรูปร่างโมเลกุลแบบสี่เหลี่ยมแบนราบทำให้เวกเตอร์สภาพขั้วหักล้างกันหมดโมเลกุลอะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลแบบมีขั้วและมีบางชนิดอาจเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วเนื่องจากมีรูปร่างโมเลกุลแบบสี่เหลี่ยมแบนราบทำให้เวกเตอร์สภาพขั้วหักล้างกันหมด

       3.3.6 แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและสมบัติของสารโคเวเลนต์

                ที่อุณหภูมิห้องสารโคเวเลนต์แต่ละชนิดอันอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลหรือแรงแวนเดอร์วาลส์ โดยในสถานะของแข็งโมเลกุลอยู่ชิดกันจนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมากในสถานะของเหลวโมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้แต่ยังคงอยู่ชิดติดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าในของแข็งส่วนในสถานะแก๊สโมเลกุลอยู่ห่างกันสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยมากจนถือว่าไม่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลดังนั้นการเปลี่ยนแปลงสถานะของสารจากของแข็งไปเป็นของเหลว หรือของเหลวไปเป็นแก๊สซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำลายงานยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโดยไม่มีการทำลายพันธะโคเวเลนต์ ซึ่งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมีค่าพลังงานน้อยกว่าพันธะโคเวเลนต์มากสามารถทำลายได้ด้วยการให้พลังงานความร้อนแก้สารจนกระทั่งโมเลกุลของสารมีพลังงานจลน์สูงพอที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะได้ดังนั้นสารแต่ละชนิดซึ่งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่แตกต่างกันจะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่ต่างกันด้วย

           นอกจากจุดหลอมเหลวของสารที่จะเกี่ยวข้องกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลแล้วยังขึ้นอยู่กับการจัดเรียงโมเลกุลในของแข็งทำให้แนวโน้มของจุดหลอมเหลวอาจไม่สอดคล้องกับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโดยตรง

          แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเกี่ยวข้องกับขนาดของโมเลกุลและสภาพขั้วของโมเลกุลซึ่งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมีหลายชนิดและมีชื่อเรียกที่ต่างกันซึ่งในที่นี้จะกล่าวถึง 3 ชนิดที่สำคัญดังนี้ 

          1.และแพร่กระจายลอนดอน แรงแพร่กระจายลอนดอน เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลไม่มีขั้วหรืออะตอมแก๊สมีสกุลซึ่งเป็นแรงอย่างอ่อนๆที่เกิดขึ้นจากการกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมขณะใดขณะหนึ่งซึ่งอาจไม่เท่ากันจึงทำให้สภาพขั้วชั่วขณะ แล้วเหนี่ยวนำให้โมเลกุลที่อยู่ติดกันเกิดขั้วตรงข้ามและมีแรงดึงดูดชั่วขณะ โดยแรงแผ่กระจายนี้เพิ่มขึ้นตามขนาดของโมเลกุลเนื่องจากโมเลกุลขนาดใหญ่สามารถเกิดสภาพขั้วชั่วขณะได้มากกว่า 

         2.แรงระหว่างขั้วสำหรับโมเลกุลมีขั้วนอกจากจะมีแรงแผ่กระจายลอนดอนแล้ว ยังมีแรงดึงดูดที่เกิดจากสภาพของขั้วโมเลกุลด้วยโมเลกุลที่อยู่ใกล้กันจะหันส่วนของโมเลกุลที่มีขั้วตรงข้ามกันเข้าหากันเกิดเป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าจากสภาพขั้วนี้โดยทั่วไปในระหว่างขั้วเพิ่มขึ้นตามสภาพขั้วของโมเลกุลที่มีขนาดใกล้เคียงกัน

          3.พันธะไฮโดรเจนเมื่อพิจารณาจุดเดือดของสารประกอบไฮโดรเจนกับธาตุหมู่ VIIA จะเห็นว่า HF มีจุดเดือดสูงกว่าสารประกอบอื่นทั้งที่มีขนาดโมเลกุลเล็กที่สุดซึ่งไม่เป็นไปตามแนวโน้มของขนาดโมเลกุลดังที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้นแสดงว่า HF มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมากกว่าสารประกอบของไฮโดรเจนกับธาตุหมู่ VIIA อื่นๆ ทั้งนี้เพราะผลต่างของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างไฮโดรเจนกับฟลูออรีนมีค่ามากทำให้กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนอยู่ทางด้านอะตอมฟลูออรีนที่มีขนาดเล็กอย่างหนาแน่นอะตอมฟลูออรีนและไฮโดรเจนมีสภาพขั้วสูงกว่าในกรณีที่ HCl HBr และ HI มาก ทำให้มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลมากด้วยแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่เกิดขึ้นจากอะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลหนึ่งกับอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบนอะตอมของธาตุที่มีขนาดเล็กและมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงของอีโมเลกุลหนึ่งเรียกแรงดึงดูดนี้ว่า พันธะไฮโดรเจน