Covalent bond พันธะโคเวเลนต์

พันธะ มากจากคำว่า Bond ซึ่งหมายถึง แรงยึดเหนี่ยว ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมด้วยกัน และยังรวมถึงแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลด้วยกันให้เป็นกลุ่มก้อน ดังนั้น เราจึงสามารถแบ่งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารทางเคมีออกเป็น 2 ประเภท คือ

1. แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม (ภายในโมเลกุล) ได้แก่ พันธะไอออนิก พันธะโคเวเลนต์ และ พันธะโลหะ
2. แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ได้แก่ พันธะไฮโดรเจน และแรงแวนเดอร์วาลส์

โพสนี้ครูจะเน้นไปที่พันธะเคมีที่เป็นแรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุล ซึ่งประกอบด้วย พันธะไอออนิก พันธะโคเวเลนต์ และ พันธะโลหะ มาทำความรู้จักกับพันธะแต่ละชนิดกันเลยครับ

พันธะตัวแรกของเราได้แก่

พันธะไอออนิก (IONIC BOND)

เป็นพันธะที่เกิดจากแรงกระทำระหว่างอะตอม 2 อะตอมที่มีประจุต่างกัน โดยจะเกิดการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ทำให้เกิดแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุที่ต่างกัน พันธะไอออนิกจะเกิดระหว่างโลหะรวมตัวกับอโลหะ และเกิดขึ้นระหว่างธาตุที่มีค่า EN ต่างกันมาก

ตัวอย่างการเกิดพันธะไอออนิก

เราจะมาทำความรู้จักกับพันธะไอออนิกมากขึ้นหลังจากเรียนพันธะโคเวเลนต์จบแล้วครับ

พันธะโลหะ (METALLIC BOND)

คือ แรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่รอบๆก้อนโลหะ เกิดจากอะตอมของโลหะใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน เวเลนซ์อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ไปทุกอะตอมได้ทั่งทั้งก้อนโลหะ

ตัวอย่างการเกิดพันธะโลหะ

เราจะมาทำความรู้จักกับพันธะไอออนิกมากขึ้นหลังจากเรียนพันธะไอออนิกจบแล้วครับ

พันธะโคเวเลนต์ (COVALENT BOND)

คือ พันธะที่เกิดจากการที่อะตอมใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกันเป็นคู่ๆ เพื่อให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนครบแปดตัวตามกฎออกเตต (Octet rule)

ตัวอย่างการเกิดพันธะโคเวเลนต์

การเกิดพันธะโคเวเลนต์

          นิวเคลียสของอะตอมทั้งสองจะต้องเข้ามาอยู่ใกล้กันในระยะที่เหมาะสม เพื่อทำให้แรงดึงดูดทั้งหมดของระบบเท่ากับแรงผลักทำให้อยู่ในภาวะสมดุลกัน รวมทั้งมีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเกิดเป็นโมเลกุล เรียกว่า เกิดพันธะโคเวเลนต์

ตัวอย่างการเกิดโมเลกุลของไฮโดรเจน

นักเรียนคงจะสงสัยว่ากฎออกเตตคืออะไร มาดูกันเลย ^ ^

กฎออกเตต (OCTET RULE)

The octet rule – อะตอมใดๆ มีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะจำนวนหนึ่งเพื่อให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบแปดตัว อะตอมที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบแปดตัว มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนแก๊สเฉื่อยในหมู่ 8A จะมีความเสถียรมาก (ยกเว้น H และ He ตามกฎออกเตตจะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนครบสอง)

ข้อยกเว้นของกฎออกเตต

โมเลกุลโคเวเลนต์ จะมีการจัดเรียงอิเล็กตรอน เป็นไปตามกฎออกเตต ซึ่งทำให้สารประกอบอยู่ในสภาพที่เสถียร แต่อย่างไรก็ตามพบว่าสารประกอบบางชนิดมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนไม่เป็นไปตามกฎออกเตต จัดเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต

(ก) พวกที่ไม่ครบออกเตต ได้แก่สารประกอบของธาตุในคาบที่ 2 ของตารางธาตุ เช่น Be, B  สามารถสร้างพันธะแล้วทำให้อิเล็กตรอนน้อยกว่าแปด เช่น  BF₃  BCl₃  BeCl₂ และ BeF₂  เป็นต้น

(ข) พวกที่เกินออกเตต ได้แก่ สารประกอบของธาตุที่อยู่ในคาบที่ 3 ของตารางธาตุเป็นต้นไป สามารถสร้างพันธะแล้วทำให้อิเล็กตรอนเกินแปด เช่น PCl₅ SF₆ เป็นต้น

ลักษะการเกิดพันธะโคเวเลนต์

1. การสร้างพันธะระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน เกิดเป็นโมเลกุลของธาตุ เช่น H₂, O₂, O₃, S₈
2. การสร้างพันธะระหว่างอะตอมต่างชนิดกัน เกิดเป็นโมเลกุลของสารประกอบ เช่น HCl, H₂O, NH₃

• อิเล็กตรอนที่ใชในการเกิดพันธะ 1 พันธะ (2e^–) เรียกว่า  อิเล็กตรอนคูพันธะ (bonded pair)
• คูอิเล็กตรอน (2e^–) ที่ไมไดใชในการเกิดพันธะ เรียกว่า อิเล็กตรอนคูโดดเดี่ยว (lone pair)
• อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ เรียกว่า อิเล็กตรอนเดี่ยว (single electron)

ลักษณะสำคัญของพันธะโคเวเลนต์

ส่วนมากเป็นธาตุอโลหะกับอโลหะเนื่องจากธาตุอโลหะมีพลังงานไอออไนเซซันค่อนข้างสูง จึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก มีแต่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์

1. เป็นพันธะที่เกิดจากอะตอมของธาตุที่มีค่า EN สูงยึดกับ EN สูงด้วยกัน
2. เป็นพันธะที่เกิดจากอะตอมของ

อโลหะกับอโลหะ   เช่น CO₂    NH₃

กึ่งโลหะกับอโลหะ  เช่น  SiO₂  GeCl₄

ชนิดของพันธะโคเวเลนต์

พิจารณาจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันของอะตอมคู่ร่วมพันธะ ดังนี้

พันธะเดี่ยว (SINGLE BOND)

เกิดจากอะตอมคู่สร้างพันธะทั้งสอง ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่ ใช้เส้นตรง 1 เส้น แทนพันธะเดี่ยว

พันธะคู่ (DOUBLE BOND)

          เกิดจากอะตอมคู่สร้างพันธะทั้งสอง ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 คู่ ใช้เส้นตรง 2 เส้น แทนพันธะคู่

พันธะสาม (TRIPLE BOND)

          เกิดจากอะตอมคู่สร้างพันธะทั้งสอง ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่ ใช้เส้นตรง 3 เส้น แทนพันธะสาม

 ตัวอย่าง ชนิดของพันธะโคเวเลนต์ โดยพิจารณาจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันของอะตอมคู่ร่วมพันธะ

พันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ (CO-ORDINATE  COVALENT  BOND)

          คือ พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดขึ้นโดยอะตอมหนึ่งเป็นตัวให้คู่อิเล็กตรอนเพื่อเกิดพันธะ ซึ่งมักเกิดกับโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลือ และเมื่อใช้ไปแล้วก็มีจำนวนอิเล็กตรอนวงนอกไม่เกิน 8

ตัวอย่างเช่น แอมโมเนียมไออน (NH₄⁺)  ซึ่งเกิดจาก   H⁺  + NH₃  ได้ผลิตภัณฑ์เปฺ็น NH₄⁺ โดย N เป็นฝ่ายให้คู่อิเล็กตรอนกับ H ในการสร้างพันธะ ดังรูป

การเขียนสูตรโครงสร้างโมเลกุลโควาเลนต์

• สูตรโครงสร้างแบบจุด (ELECTRON-DOT STRUCTURE)

หรือเรียกว่าโครงสร้างลิวอิส (Lewis  structure)  เป็นการสร้างพันธะโดยการนำเอาเวเลนซ์อิเล็กตรอนมาใช้ร่วมกัน  การให้หรือ/และรับอิเล็กตรอนของอะตอมทั้งสองอะตอมให้เป็นไปตาม   “กฎออกเตต (octet  rule)”  โดยแสดงเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็นจุด

• สูตรโครงสร้างแบบเส้น (GRAPHIC STRUCTURE)

  • ใช้เส้นตรง 1 เส้น ( — ) แทนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 1 คู่
  • ใช้เส้นตรง 2 เส้น ( = ) แทนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน  2  คู่
  • ใช้เส้นตรง 3 เส้น แทนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 3 คู่
  • ให้เขียนไว้ในระหว่างสัญลักษณ์ของธาตุคู่ร่วมพันธะ
  • อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวที่เหลืออาจเขียนโดยใช้จุดแทน หรือไม่เขียนเลยก็ได้

วิธีเขียนสูตรโครงสร้าง

• เขียนอะตอมทั้งหมดที่เกิดพันธะกันให้อยู่ใกล้กัน กรณีที่มีอะตอม 3 ตัว  อะตอมที่จะต้องอยู่ตำแหน่งกลาง  คือ อะตอมที่มีค่า EN ต่ำ
• หาจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมด นำอิเล็กตรอนที่มีอยู่ไปเขียนรอบอะตอมต่างๆ โดยใช้จุดแทนเวเลนซ์อิเล็กตรอนรอบอะตอมเป็นคู่ ๆ โดยจัดให้แต่ละอะตอม มีจำนวนอิเล็กตรอนล้อมรอบครบ 8 ตัว (ยกเว้น H=2, Be=4, B=6)
  • ไอออนลบ: เพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนประจุลบของไอออน
  • ไอออนบวก: ลบจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับจำนวนประจุบวกของไอออน
• เชื่อมอะตอมด้วยพันธะเดี่ยว โดยใช้ 2 อิเล็กตรอนในการสร้างพันธะเดี่ยวแต่ละพันธะ
• ในกรณีที่ใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนจนหมดแล้วแต่อะตอมยังไม่ครบ 8 ตัว อาจต้องมีพันธะคู่ หรือพันธะสามเกิดขึ้นด้วย

ตัวอย่างการเขียนสูตรโครงสร้างแบบจุดและแบบเส้น

 เรโซแนนซ์ (RESONANCE)

          หมายถึง การใช้สูตรโครงสร้างแบบจุดของลิวอิสตั้งแต่ 2 โครงสร้างขึ้นไปแทนโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่งโดย โครงสร้างเรโซแนนซ์ (Resonance structure) คือ สูตรโครงสร้างของสารที่สามารถเขียนได้มากกว่า  1  แบบ ซึ่งแต่ละสูตรที่เขียนขึ้นมาจะไม่สอดคล้องกับสูตรโครงสร้างที่แท้จริง การจะเป็นโครงสร้างเรโซแนนซ์ได้สารต้องมีการจัดเรียงตัวของอะตอมเหมือนกัน ต่างเพียงการกระจายอิเล็กตรอนในพันธะเท่านั้น

ตัวอย่างการเกิดเรโซแนนซ์ของคาร์บอเนตไอออน

หลักในการตัดสินว่าโครงสร้างเรโซแนนซ์ แบบใด ควรเป็นไปได้มากที่สุดมีหลักในการตัดสินดังนี้คือ

1. มีประจุฟอร์มาลต่ำสุด
2. อะตอมที่มี En สูงกว่ามักมีประจุฟอร์มาลเป็นลบ เนื่องจากมีความสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนมากกว่า (แต่ไม่เสมอไป)
3. อะตอมชนิดเดียวกันจะไม่มีประจุฟอร์มาลที่มีเครื่องหมายตรงข้าม (มีเครื่องหมายตรงข้ามได้ แต่ความน่าจะเป็นสำหรับโครงสร้างนั้นๆ จะลดลง)
4. เป็นไปตามกฎออกเตตมากที่สุด

ประจุฟอร์มาลคืออะไร

ประจุฟอร์มาล (FORMAL CHARGE)

          เป็นประจุไฟฟ้าสมมติที่กำหนดขึ้นเพื่อใช้ทำนายว่าโครงสร้างโมเลกุลแบบใดมีความเป็นไปได้มากกว่ากัน (เนื่องจากโครงสร้างที่เกิดเรโซแนนซ์ ทำให้สารชนิดเดียวกันมีโครงสร้างได้หลายแบบ ดังนั้น โครงสร้างแบบใดจะเป็นไปได้มากที่สุดจะดูที่ประจุฟอร์มาล)

การคำนวณประจุฟอร์มาลบนอะตอมหนึ่งๆ ทำได้ดังนี้

ประจุฟอร์มาล    =   V – N – 1/2B

เมื่อ   V = จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่สนใจ

N = จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่ไม่สร้างพันธะ (non-bonding electron)

B = จำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในพันธะรอบอะตอมนั้น

หรือ

ประจุฟอร์มาล    =   V – N – B

เมื่อ   V = จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่สนใจ

N = จำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่ไม่สร้างพันธะ (non-bonding electron)

B = จำนวนพันธะทั้งหมดรอบอะตอมนั้น

**หมายเหตุ: ทั้งสองสูตร ตัวแปร “B” ใช้ต่างกันนะครับ เวลาคำนวณให้เลือกใช้สูตรใดสูตรหนึ่งตามที่ตนเองถนัด อย่าเอามาปนกันนะครับ

นักเรียนสามารถศึกษาเพิ่มได้จาก Link นี้ครับ :

ตัวอย่างการคำนวณหาประจุฟอร์มาล

การเขียนสูตรโมเลกุลของสารประกอบโคเวเลนต์

1. เรียงลำดับธาตุให้ถูกต้องตามหลักสากล ดังนี้คือ Si , C , Sb , As , P , N , H , Te , Se , S , At , I , Br , Cl , O , F ตามลำดับ
2. ถ้าจำนวนอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่ง ให้เขียนจำนวนอะตอมด้วยตัวเลขแสดงไว้มุมล่างขวา (อะตอมเดียวไม่ต้องเขียน)
3. หลักการเขียนสูตรสารประกอบโคเวเลนต์ ใช้จำนวนอิเล็กตรอนที่แต่ละอะตอมของธาตุที่ต้องการตามกฎออกเตตคูณไขว้

การเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์

1. อ่านชื่อธาตุข้างหน้าก่อน แล้วตามด้วยธาตุที่อยู่ข้างหลังเปลี่ยนพยางค์ท้ายเป็น – ide

ตัวอย่างการอ่านธาตุที่อยู่หลัง เช่น

Cl  ให้เรียก  คลอไรด์      O  เรียก  ออกไซด์

N   ให้เรียก ไนไตรด์       F เรียก   ฟลูออไรด์

C    ให้เรียก คาร์ไบด์     Br เรียก โบร์ไมด์

S     ให้เรียก ซัลไฟด์      P   เรียก ฟอสไฟด์

2. ระบุจำนวนอะตอมของธาตุด้วยตัวเลขในภาษากรีก ดังนี้

1 = มอนอ        2 = ได

3 = ไตร           4 = เตตระ

5 = เพนตะ       6 = เฮกซะ

7 = เฮปตะ       8 = ออกตะ

9 = โนนะ         10 = เดคะ

3. ถ้าธาตุแรกมีอะตอมเดียวไม่ต้องระบุจำนวนอะตอมแต่ธาตุข้างหลังต้องระบุจำนวนอะตอมเสมอแม้มีเพียงอะตอมเดียว (ระบุโดยใช้ภาษากรีก)

ตัวอย่างการอ่านสื่อสารประกอบโคเวเลนต์

CO      อ่านว่า  คาร์บอนมอนอออกไซด์   หรือ คาร์บอนมอนอกไซด์

CO₂     อ่านว่า  คาร์บอนไดออกไซด์

NO      อ่านว่า  ไนโตรเจนมอนอออกไซด์ หรือ ไนโตรเจนมอนอกไซด์

N₂O     อ่านว่า  ไดไนโตรเจนมอนอออกไซด์ หรือ ไดไนโตรเจนมอนอกไซด์

N₂O₃   อ่านว่า  ไดไนโตรเจนไตรออกไซด์

N₂O₅   อ่านว่า  ไดไนโตรเจนเพนตะออกไซด์

ก็จบไปแล้วกับสรุปเนื้อหาพันธะโคเวเลนต์ใน Week นี้ครับ อีกอย่าง Midterm ใกล้เข้ามาแล้ว ครูก็ขอให้นักเรียนตั้งใจอ่านหนังสือให้มากๆ นะครับ