3.3 พันธะโคเวเลนต์

3.3.1การเกิดพันธะโคเวลเนต์

พันธะโคเวเลนต์(Covalent bond) มาจากคำว่า co + valence electron ซึ่งหมายถึง พันธะที่เกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน ดังเช่น ในกรณีของไฮโดรเจน ดังนั้นลักษณะที่สำคัญของ พันธะโคเวเลนต์ก็คือการที่อะตอมใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันเป็นคู่ ๆ

-สารประกอบที่อะตอมแต่ละคู่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เรียกว่าสารโคเวเลนต์

-โมเลกุลของสารที่อะตอมแต่ละคู่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เรียกว่าโมเลกุลโคเวเลนต์

1. การเกิดพันธะโคเวเลนต์

เนื่องจาก พันธะโคเวเลนต์ เกิดจากการใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกัน ซึ่งอาจจะใช้ร่วมกันเพียง 1 คู่ หรือมากกว่า 1 คู่ก็ได้

- อิเล็กตรอนคู่ที่อะตอมทั้งสองใช้ร่วมกันเรียกว่า “อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ”

- อะตอมที่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเรียกว่าอะตอมคู่ร่วมพันธะ

* ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่าพันธะเดี่ยวเช่น ในโมเลกุลของไฮโดรเจน

* ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่าพันธะคู่เช่น ในโมเลกุลของออกซิเจน

* ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่าพันธะสามเช่น ในโมเลกุลของไฮโดรเจน

จากการศึกษาสารโคเวเลนต์จะพบว่า ธาตุที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์ส่วนมากเป็นธาตุอโลหะกับอโลหะ ทั้งนี้เนื่องจากโลหะมีพลังงานไอออไนเซชันค่อนข้างสูง จึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก เมื่ออโลหะรวมกันเป็นโมเลกุลจึงไม่มีอะตอมใดเสียอิเล็กตรอน มีแต่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ อย่างไรก็ตามโลหะบางชนิดก็สามารถเกิดพันธะโคเวเลนต์กับอโลหะได้ เช่น Be เกิดเป็นสารโคเวเลนต์คือ BeCl2เป็นต้น

3.3.2 การเขียนสูตรและการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์

การเขียนสูตรสารประกอบโคเวเลนต์เรียงตามหลักสากล ดังนี้

Si C Sb As P N H Te S At I Br Cl O F

2. จากความรู้เรื่องกฎออกเตต ทำให้สามารถทำนายสูตรอย่างง่ายของสารได้ โดยใช้ความต้องการอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะของแต่ละอะตอมของธาตุคูณไขว้ เช่น

ตัวอย่างที่1สูตรของสารประกอบของธาตุ H กับ S ; H และ S มีเวเลนต์อิเล็กตรอน 1 และ 6 ตามลำดับ ดังนั้น H และ S ต้องการอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจำนวน 1 และ 2 ตามลำดับ เพื่อให้แต่ละอะตอมของธาตุมีการจัดอิเล็กตรอนแบบก๊าซเฉื่อย

ตัวอย่างที่ 2 สูตรของสารประกอบของธาตุ S กับ C ; S และ C มีเวเลนต์อิเล็กตรอน 6 และ 4 ตามลำดับ ดังนั้น S และ C ต้องการอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจำนวน 2 และ 4 ตามลำดับ เพื่อให้แต่ละอะตอมของธาตุมีการจัดอิเล็กตรอนแบบก๊าซเฉื่อย

ตัวอย่างที่ 3 สูตรของสารประกอบของธาตุ N กับ Cl ; N และ Cl มีเวเลนต์อิเล็กตรอน 5 และ 7 ตามลำดับ ดังนั้น N และ Cl ต้องการอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจำนวน 3 และ 1 ตามลำดับ เพื่อให้แต่ละอะตอมของธาตุมีการจัดอิเล็กตรอนแบบก๊าซเฉื่อย

การเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์(Names of Covalent Compounds)

1.อ่านชื่อธาตุที่อยู่ด้านหน้าก่อนตามด้วยธาตุที่อยู่ด้านหลังโดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ท้ายเป็นไ-ด์(ide )2

2.อ่านระบุจำนวนอะตอมของธาตุด้วยเลขจำนวนในภาษากรีก ได้แก่

1 =mono-2=di-3=tri-4=tetra-5=penta-6=hexa-7=octa-8=nona-9=deca-

3 .ถ้าธาตุแรกมีอะตอมเดียว ไม่ต้องอ่านระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้นแต่ถ้าธาตุหลังมีเพียงหนึ่งอะตอมก็ต้องระบุจำนวนอะตอมด้วยเสมอ

ตัวอย่างการอ่านชื่อ

CO2อ่านว่าคาร์บอนไดออกไซด์,COอ่านว่าคาร์บอนมอนออกไซด์,

BF3อ่านว่าโบรอนไตรฟลูออไรด์,N2Oอ่านว่าไดไนโตรเจนมอนอกไซด์,

N2O5อ่านว่าไดไนโตรเจนเพนตอกไซด์, P4O10อ่านว่าเตตระฟอสฟอรัสเดคะออกไซด์

OF2อ่านว่าออกซิเจนไดฟลูออไรด์, CCl4อ่านว่าคาร์บอนเตตระคลอไรด์

3.3.3พลังงานพันธะ

พลังงานพันธะ (Bond energy) คือพลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะระหว่างอะตอมของธาตุภายในโมเลกุลที่อยู่ในสถานะก๊าซออกเป็นอะตอมเดี่ยว เช่น

H2(g) + 436 kJ ----------------> 2H (g)

จากสมการก๊าซ H21 โมลต้องการจะสลายเป็น H อะตอม 2 โมล ต้องใช้พลังงาน 436 kJ

HI (g) + 298 kJ----------> H (g) + I (g)

ก๊าซ HI 1 โมลต้องการสลายเป็น H และ I อะตอมอย่างละ 1โมลต้องใช้พลังงาน 298 kJ

จากตัวอย่างข้างต้นนี้แสดงว่าสารต่างชนิดกัน จำนวนโมลเท่ากัน พลังงานที่ใช้สลายพันธะก็ต่างกัน การสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารต่างชนิดกันจะใช้พลังงานสลายไม่เท่ากัน เช่น การสลายพันธะ C - H ใน CH4และ C2H6มีค่าไม่เท่ากัน

CH4(g) + 435 kJ -------------> CH3(g) + H (g)

C2H6(g) + 400 kJ ------------> C2H5(g) + H (g)

และการสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารเดียวกัน (ที่มีพันธะชนิดเดียวกัน) ก็ใช้พลังงานสลายไม่เท่ากัน เช่น การสลายพันธะ C - H ใน CH4

CH4(g) + 435 kJ------------> CH3(g) + H (g)

CH3(g) + 464 kJ ------------> CH2(g) + H (g)

CH2(g) + 422 kJ -------------> CH (g) + H (g)

CH(g) + 339 kJ --------------> C (g) + H (g)

เมื่อรวมขั้นทั้ง 4 เข้าด้วยกันจะได้ว่า

CH4(g) + 1660 kJ --------------> C (g) + 4H (g)

พลังงานที่ทำให้โมเลกุล CH4แตกออกเป็นอะตอมในสภาวะก๊าซ เรียกว่า Atomization energy และพลังงานเฉลี่ยของพันธะ C - H ใน CH4= 1660/4 = 415 kJ เรียกพลังงานค่านี้ว่าพลังงานพันธะเฉลี่ย( Average bond energy )อนึ่งจากตารางที่ 6.1 ค่าพลังงานเฉลี่ยของพันธะ C - H ของสารทั่ว ๆ ไป มีค่า 413 kJ ซึ่งมีค่าต่างจากค่าพลังงานเฉลี่ยของพันธะ C - H ซึ่งหาได้จาก CH4เท่านั้น

เนื่องจากพลังงานที่ใช้สลายพันธะแต่ละพันธะในคู่อะตอมเดียวกันไม่เท่ากัน จึงเป็นการยากที่จะจดจำและไม่สะดวกต่อการใช้ ดังนั้นเพื่อความสะดวกจึงนิยมใช้พลังงานพันธะเฉลี่ยแทน

3.3.4หลักการทำนายรูปร่างโมเลกุลและไอออนโคเวเลนต์

หลักการทำนายรูปร่างโมเลกุลและไอออนโคเวเลนต์

1. ต้องทราบเวเลนต์อิเล็กตรอนแต่ละอะตอม หรือทราบเลขอะตอมของธาตุ แล้วจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ ทำให้ทราบเวเลนต์อิเล็กตรอน

2. ต้องทราบสูตรเคมี ของสารที่จะทำนายรูปร่างโมเลกุล

3. นำข้อมูลข้อ 1. และข้อ 2. มาเขียนสูตรโครงสร้างแบบจุด หรือสูตรโครงสร้างแบบลิวอิส ตามโมเลกุลหรือไอออนของสารนั้น

4. พิจารณาดูที่อะตอมกลางของธาตุของสูตรโครงสร้างที่เขียนขึ้น ว่ามีการจัดเรียงอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ตลอดจนจำนวนพันธะว่าเป็นอย่างไร เข้าข่ายลักษณะรูปร่างแบบไหนก็ทำนายเป็นรูปร่างโมเลกุลหรือไอออนแบบนั้น

ข้อสังเกตการทำนายรูปร่างของสารโคเวเลนต์ไม่ควร เขียนสูตรโครงสร้างแบบเส้น เพราะอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจะไม่ปรากฏ ซึ่งจะทำให้ทำนายรูปร่างของสารโคเวเลนต์ผิดได้

ตัวอย่างจงทำนายรูปร่างของสารโคเวเลนต์ของสารต่อไปนี้

ก. Cl2O ข. COCl2

ค. ClO3 -ง. PO43-

วิธีทำในแต่ละข้อ ทราบสูตรเคมี นอกจากนั้นยังต้องทราบเวเลนต์อิเล็กตรอนของแต่ละธาตุ คือ C , P , O และ Cl มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเป็น 4 , 5 , 6 และ 7 ตามลำดับ

3. 3. 5 สภาพกของโมเลกุลโคเวเลนต์

สารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวเช่นแก๊สไฮโดรเจน (13) มีการกระจายของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะระหว่างอะตอมทั้งสองเทากันพันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่าพันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว (non-polar covalent bond) แต่สารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกันจะมีการกระจายของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนดูรวมพันธะระหว่างอะตอมไม่เท่ากันเช่นไฮโดรเจนคลอไรต์ (HCI) มีอิเล็กตรอนคู่รวมพันธะอยู่บริเวณอะตอมคลอรีนมากกว่าอะตอมไฮโดรเจนเพราะอะตอมคลอรีนมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิดีมากกว่าอะตอมไฮโดรเจนทำให้อะตอมคลอรีนแสดงบระจุไฟฟ้าค่อนข้างลบส่วนอะตอมไฮโดรเจนมีค่าอิเล็กโทรเนกาติดีน้อยกวาแสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวกพันธะที่เกิดขึ้นลักษณะเช่นนี้เรียกว่าพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว polar covalent bond) การแสดงตัวของพันธะอาจใช้สัญลักษณ์ 6” (เดลต้าบวกสำหรับอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก (partual positive charge) และ 6 เดสต้าลบสำหรับอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบ (partial negative charge) หรืออาจใช้เครื่องหมายโดยให้หัวลูกศรชีไปในทิศของอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบส่วนท้ายลูกศรที่มีลักษณะคล้ายเครื่องหมายบวกให้อยู่บริเวณอะตอมที่แสดงประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก

ขั้วของพันธะทำให้โมเลกุลอะตอมคู่ที่ประกอบด้วยธาตุขนิดเดียวกันเช่น H3 0, Cl๖ เป็นโมเลกุลไม่มีขัว (non ส่วนโมเลกุลอะตอมคู่ที่ประกอบด้วยธาตุตางยนัดกันเป็น FIGI CO เป็นโมเลกุลมีขั้ว (polar molecule แล้วโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอมและพันธะระหว่างคู่อะตอมเป็นพันธะมีขั้วจะเป็นโมเลกุลมีขั้วหรือไม่อย่างไรสภาพขั้วของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอมพิจารณาจากการรวมสภาพตัวของพันธะแบบเวกเตอร์ซึ่งถ้าเวกเตอร์หักล้างกันหมดจะทำให้โมเลกุลไม่มีขัวแต่ถ้าเวกเตอร์หักล้างกันไม่หมดโมเลกุลจะเป็นโมเลกุลมีชั่วเช่นโมเลกุลแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO.) มีรูปร่างโมเลกุลแบบเส้นตรงและมีเวกเตอร์สภาพขั้วของพันธะ (= 0 สองพันธะในทิศทางตรงข้ามกันจึงหักล้างกันหมดทำให้ GO, เป็นโมเลกุลไม่มีขั้วดังนี้โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีสีเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและอะตอมล้อมรอบเหมือนกันทุกอะตอมเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วถึงแม้ว่าพันอะภายในโมเลกุลจะเป็นพันธะที่มีขั้วเนื่องจากรูปร่างโมเลกุล

ตัวอย่างโมเลกุลโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว

       สำหรับโมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนดู่โดดเดี่ยวหรือมีอะตอมล้อมรอบเป็นธาตุต่างชนิดกันส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลมีขั้วเนื่องจากเวกเตอร์สภาพขั้วของพันธะหักล้างกันไม่หมดเช่น H2O NH3 CHCl3

ตัวอย่างโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้ว