เคมี: บทที่3

สารในชีวิตประจำวันเช่นแก๊สออกซิเจนและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการหายใจของสิ่งมีชีวิตน้ำเป็นของเหลวที่ใช้ในการอุปโภคและบริโภคเกลือแกงเป็นของแข็งที่ใช้ในการประกอบอาหารสารเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่อยู่ในรูปอะตอมเดี่ยวแต่ประกอบด้วยหลายอะตอมซึ่งอาจเป็นอะตอมชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันการยึดเหนี่ยวกันของอะตอมหรือไอออนในสารเรียกว่าพันธะเคมี 3.1 ลักษณะแบบจุดของลิวอิสและกฎออกเตต
จากการศึกษาเรื่องอะตอมและสมบัติของธาตุทำให้ทราบว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมธาตุคาร์บอนมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยเป็น 1s^2 2s^2 2p^2 ดังนั้น คาร์บอนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 ทั้งนี้การเกิดพันธะเคมีเกี่ยวข้องกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมที่ร่วมสร้างพันธะกัน
เวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุอาจแสดงด้วยจุดสัญลักษณ์ที่แสดงธาตุและเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุเรียกว่า สัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสซึ่งเสนอโดย กิลเบิร์ต นิวตัน ลิวอิส สัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสใช้จุดแสดงจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนรอบสัญลักษณ์ของธาตุดังรูป

ธาตุต่างๆส่วนใหญ่ไม่เสถียรในรูปอะตอมเดี่ยวยกเว้นเพื่อนในหมู่ 18 หรือเรียกว่าแก๊สมีสกุลที่ผมอยู่ในรูปอะตอมเดี่ยวซึ่งมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ยกเว้นฮีเลียมซึ่งมี 2 เวเลนซ์อิเล็กตรอนนอกจากนี้นักเคมี ยังพบว่าอะตอมของธาตุอื่นๆมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกัน เพื่อที่จะทำให้แต่ละอะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 จึงมีการสรุปเป็นหลักการที่เกี่ยวกับกฎออกเตต ศาลที่ไม่อยู่ในรูปอะตอมเดี่ยวมีพันธะเคมีระหว่างอะตอมหรือไอออนโดยที่อะตอมของธาตุจะมีการให้อิเล็กตรอนรับอิเล็กตรอนหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันทำให้เกิดพันธะเคมีสารประเภทได้แก่พันธะไอออนิกพันธะโคเวเลนต์และพันธะโลหะ 3.2 พันธะไอออนิก

สารที่เกิดจากธาตุโลหะกับธาตุอโลหะ มีสมบัติบางประการทางการและสารเหล่านี้มีการยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่เหมือนกัน
3.2.1 การเกิดพันธะไอออนิก
ธาตุโลหะมีพลังงานไอออไนเซชันต่ำจึงเสียอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนบวกได้ง่ายส่วนธาตุอโลหะมีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูง จึงรับอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนลบ ไอออนบวกและไอออนลบมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเรียกการยึดเหนี่ยวนี้ว่าพันธะไอออนิกและสารที่เกิดขึ้นจากพันธะไอออนิกว่าสารประกอบไอออนิกชื่อสารประกอบไอออนิกที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เป็นไปตามกฎออกเตตดังตัวอย่าง

สารประกอบไอออนิกในสถานะของแข็งอยู่ในรูปของผลึกที่มีไอออนบวกและไอออนลบยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิกอย่างต่อเนื่องกันไปทั้ง 3 มิติเป็นโครงผลึก และไม่อยู่ในรูปโมเลกุล

3.2.2 สูตรเคมีและชื่อของสารประกอบไอออนิก

สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบที่มีประจุต่างกัน ซึ่งมีผลต่ออัตราส่วนการรวมของไอออนและสูตรของสารประกอบไอออนิกด้วยประจุของไอออน 5 มูลหลักเป็นบวกตามจำนวนและการที่ให้หรือเป็นโรคตามจำนวนอิเล็กตรอนที่รับเพื่อทำให้มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนของไอออนเป็นไปตามกฎออกเตต

จากตาราง 3.1 ถ้าโซเดียมซึ่งเป็นธาตุหมู่ IA เมื่อเกิดเป็นไอออนบวกจะมีประจุเป็นบวก 1 5 แคลเซียมซึ่งเป็นธาตุหมู่ iia เมื่อเกิดเป็นไอออนบวกจะมีประจุเป็นบวก 2 และธาตุอะลูมิเนียมซึ่งเป็นธาตุหมู่ IIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนบวกจะมีประจุเป็นบวก 3 ดังนั้นธาตุหมู่ IA IA และ IIA เมื่อเป็นไอออนจะเป็นไอออนที่มีประจุตามเลขหมู่ 5 กรณีซึ่งเป็นธาตุหมู่ VIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนลบจะมีประจุเป็น -1 ให้ออกซิเจนซึ่งเป็นธาตุหมู่ VIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนลบจะมีประจุเป็น -2 และธาตุไนโตรเจนซึ่งเป็นธาตุหมู่ VA เมื่อเกิดเป็นไอออนลบจะมีประจุเป็น -3 ดังนั้นธาตุหมู่ VA VIA และ VIIA เมื่อเป็นไอออน จะเป็นไอออนลบที่มีประจุ X-8 เมื่อ X คือเลขหมู่ของธาตุอโลหะ

การที่โครงสร้างของสารประกอบไอออนิกที่มีไอออนบวกและไอออนลบยึดเหนี่ยวกันอย่างต่อเนื่องกันไปทั้ง 3 มิติเป็นโครงผลึกไม่สามารถแยกเป็นโมเลกุลได้ดังนั้นจึงใช้สูตรเอมพิริคัล แสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบซึ่งทำให้ได้ผลรวมประจุเป็นศูนย์

การเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจะเขียนสัญลักษณ์ของธาตุที่เป็นไอออนบวกไว้ข้างหน้าตามด้วยไอออนลบและแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของไอออนที่เป็นองค์ประกอบโดยเขียนตัวเลขอารบิกให้ทายไอออนทั้งนี้กรณีที่จำนวนไอออนเป็นหนึ่งไม่ต้องเขียนเช่นสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากแคลเซียมไอออนกับฟลูออไรด์ไอออนมีอัตราส่วนประจุของ Ca^2+ ต่อ F^- เป็น 2 ต่อ 1 ซึ่งเมื่อทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์จะได้อัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวน Ca^2+ ต่อ F^- เป็น 1:2 ดังนั้นสูตรสารประกอบเป็น CaF^2

ไอออนบางชนิดเกิดจากกลุ่มอะตอมการเขียนสูตรสารประกอบจะใช้หลักการเดียวกับไอออนบวกและไอออนลบที่เกิดจากธาตุ เช่นสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากมีไอออนกับซัลเฟตไอออนมีอัตราส่วนประจุของ NH^4+ ต่อ SO4^2- เป็น 1 ต่อ 2 ซึ่งเมื่อทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์ จะได้อัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวน NH^4+ ต่อ SO4^2- เป็น 2:1 ดังนั้นสูตรสารประกอบเป็น (NH4)2SO4

สารประกอบไอออนิกเกิดจากไอออนบวกและไอออนลบดังนั้นการเรียกชื่อสารประกอบไอออนิกจึงจำเป็นต้องสร้างชื่อของไอออนบวกและไอออนลบโดยชื่อของไอออนบวกเรียกตามชื่อถ้าเราลงท้ายด้วยคำว่าไอออนส่วนไอออนลบเรียกตามชื่อธาตุโดยเปลี่ยนท้ายเสียงเป็น i-de

จากตารางจะเห็นว่าชื่อไอออนลบของธาตุไฮโดรเจนออกซิเจนและไนโตรเจนมีการตัดคำว่าเช่นออกก่อนจะเปลี่ยนท้ายเป็นเสียง i-de ไอออนที่เป็นกลุ่มอะตอมมีชื่อเรียกเฉพาะโดยกลุ่มอะตอมที่เป็นไอออนบวกลงท้ายด้วย -ium ส่วนกลุ่มอะตอมที่เป็นไอออนลบอาจจะลงท้ายด้วยเสียง -ide -ite -ate

ชื่อสารประกอบไอออนิกได้จากการเรียกชื่อไอออนบวกแล้วตามด้วยชื่อไอออนลบโดยตัดคำว่าไอออนออก ดังตาราง

ชื่อสารประกอบที่เกิดจากโลหะที่มีเลขออกซิเดชันมากกว่า 1 ค่า ต้องระบุตัวเลขประจุหรือเลข ออกซิเดชันของไอออนนั้นเป็นเลขโรมันในวงเล็บดังตาราง

3.2.3 พลังงานกับการเกิดสารประกอบไอออนิก

ปฏิกิริยาเคมีนอกจากจะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของสารเคมีแล้วส่วนใหญ่ยังเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานอีกด้วยซึ่ง พลังงานการเกิดของสารประกอบ สามารถหาได้จากการทดลองในการทำปฏิกิริยาระหว่างธาตุ เช่นการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์จากโลหะโซเดียมทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์มีการคายพลังงาน 412 กิโลจูลต่อโมล

Na(s) + 1/2Cl2(g) ---> NaCl(s) -412kJ/mol

ปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องกับการสลายพันธะและการสร้างพันธะ ซึ่งการสลายพันธะ เป็นกระบวนการดูดพลังงาน ในขณะที่การสร้างพันธะเป็นกระบวนการคายพลังงานดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกเป็นปฏิกิริยาคายพลังงานเนื่องจากมีการสร้างพันธะไอออนิก

พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการรวมตัวกันของไอออนบวกและไอออนลบในสารประกอบไอออนิกเรียกว่าพลังงานโครงผลึกซึ่งในทางปฏิบัติไม่สามารถทำการทดลองได้โดยนำไอออนบวกและไอออนลบที่บริสุทธิ์มาทำปฏิกิริยากันได้ค่าพลังงานดังกล่าวจึงได้จากการคำนวณโดยอาศัยขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาย่อยๆหลายขั้นตอนตามวัฏจักรบอร์น-ฮาเบอร์ โดยมีสมมติฐานว่าพลังงานรวมในแต่ละขั้นตอนจะเท่ากับพลังงานในการเกิดสารประกอบไอออนิกเช่นการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ 1 โมล ประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆดังนี้

1.โลหะโซเดียมสถานะของแข็งระเหิดกลายเป็นแก๊ส ดูดพลังงาน 107 กิโลจูลต่อโมล เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่าพลังงานการระเหิด

Na(s) ---> Na(g) 107kJ/mol

2.อะตอมของโซเดียมในสถานะแก๊สเสียอิเล็กตรอนกลายเป็น Na^+ ดูดพลังงาน 496 กิโลจูลต่อโมล เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่า พลังงานไอออไนเซชัน

Na(g) ---> Na^+(g) + e^- 496kJ/mol

3.โมเลกุลแก๊สคลอรีนสลายพันธะ Cl-Cl ได้อะตอมคลอรีน 2 อะตอมในสถานะแก๊ส ดูดพลังงานเท่ากับ 242 กิโลจูลต่อโมล เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่า พลังงานพันธะ

Cl2(g) ---> 2Cl(g) 242kJ/mol

แต่เนื่องจาก NaCl 1 โมลประกอบด้วย Cl^- 1โมลไอออน ดังนั้นพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้จะเป็นครึ่งหนึ่งของพลังงานการสลายพันธะต่อโมลของ Cl2 นั่นคือจะใช้พลังงานเพียง 121 กิลโลจูล

1/2Cl2(g) ---> Cl(g) 121kJ

4.อะตอมคลอรีนในสถานะแก๊สเมื่อรับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมโซเดียมแล้วกลายเป็น Cl^- จะคายพลังงาน 349 กิโลจูลต่อโมล พลังงานที่ได้ในขั้นนี้เรียกว่า สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

Cl(g) + e^- ---> Cl^-(g) -349kJ/mol

5.เมื่อโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนในสถานะแก๊สกันเป็นผลึกโซเดียมคลอไรด์จะคายพลังงานออกมาพลังงานที่ได้ในครั้งนี้เรียกว่า พลังงานของผลึก หรือ พลังงานแลตทิซ

Na^+ + Cl^- (g) ---> NaCl(s) พลังงานโครงผลึก

เมื่อรวมสมการของปฏิกิริยาย่อยทั้ง 5 ขั้นจะเหลือ Na และ Cl2 เป็นสารตั้งต้น และเหลือ NaCl เป็นผลิตภัณฑ์โดยสารอื่นๆและอิเล็กตรอนจะหักล้างกันหมดดังนี้

ซึ่งปฏิกิริยารวมที่ได้เหมือนกับปฏิกิริยาการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ดังสมการ

Na(s) +1/2Cl2(g) ---> NaCl(s)

และมีค่าพลังงานรวม = 107 + 496 + 121 + (-349) + พลังงานแลตทิซ

เนื่องจากพลังงานการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ซึ่งสามารถหาได้จากการทดลองมีค่าเป็น -412 kJ/mol ดังนั้นสามารถคำนวณหาค่าพลังงานแลตทิซดังนี้

-412 = 107 + 496 + 121 + (-349) + พลังงานแลตทิซ

พลังงานแลตทิซ = -787kJ/mol

ค่าพลังงานแลตทิซที่คำนวณได้มีค่าเป็นลบแสดงว่าการรวมตัวกันของโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนทำให้เกิดการคายพลังงานในทางตรงกันข้ามการสลายพันธะระหว่างโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนในโครงผลึกของโซเดียมคลอไรด์จะเป็นกระบวนการดูดพลังงานซึ่งจะมีเครื่องหมายและค่าพลังงานเป็นบวก

วัฏจักรบอร์นฮาเบอร์ ของการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์แอนด์เขียนเป็นแผนภาพเพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ดังรูป

จากรูปจะสังเกตเห็นได้ว่าพลังงานที่ได้จากขั้นตอนการพลังงานมีค่ามากกว่าพลังงานที่ได้จากขั้นตอนดูดพลังงานจึงทำให้เกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน

3.2.4 สมบัติของสารประกอบไอออนิก

สารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่เป็นผลึกที่แข็งเนื่องจากการยึดเหนี่ยวที่แข็งแรงระหว่างไอออนบวกและไอออนลบและผลึกของสารประกอบไอออนิกมีความเปราะ แตกหักได้ง่ายเนื่องจากการเลื่อนตำแหน่งเพียงเล็กน้อยของไอออนเมื่อมีแรงกระทำอาจทำให้ไอออนชนิดเดียวกันลื่นไถลไปอยู่ตำแหน่งตรงกลางจึงเกิดแรงผลักระหว่างกันดังรูป

สารประกอบไอออนิกสถานะของแข็งไม่นำไฟฟ้าเนื่องจาก ไอออนที่เป็นองค์ประกอบยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้แต่เมื่อหลอมเหลวหรือละลายน้ำจะนำไฟฟ้าได้ดีเนื่องจากไอออนที่เป็นองค์ประกอบยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ แต่เมื่อหลอมเหลวหรือละลายน้ำจะนำไฟฟ้าได้เนื่องจากไอออนสามารถเคลื่อนที่ได้ สารประกอบไอออนิกมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงส่วนใหญ่ละลายน้ำได้และสารละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำส่วนใหญ่มีสมบัติเป็นเบสหรือกลางโดยสารละลายของสารประกอบออกไซด์มีสมบัติเป็นเบสและสารละลายของสารประกอบคลอไรด์มีสมบัติเป็นกลาง ดังตาราง

การละลายน้ำของสารประกอบไอออนิกเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ไอออนบวกและไอออนลบแยกออกจากโครงผลึกและเป็นกระบวนการที่โมเลกุลของน้ำล้อมรอบไอออนแต่ละชนิดโดยสารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวเป็นไอออนเรียกสามีว่าสารละลายอิเล็กโทรไลต์

กระบวนการที่ไอออนบวกและไอออนลบแยกออกจากโครงผลึกเป็นกระบวนการดูดพลังงานที่มีค่าเท่ากับพลังงานและแลตทิซ ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ส่วนกระบวนการที่โมเลกุลของน้ำล้อมรอบไอออนแต่ละชนิดเป็นกระบวนการคายพลังงานที่เรียกว่า พลังงานไฮเดรชัน

ถ้าค่าพลังงานแลตทิซ น้อยกว่าค่าพลังงานไฮเดรชันการละลายจะเป็นกระบวนการคายพลังงานซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของสารละลายสูงขึ้นและสารละลายจะละลายได้ดีที่อุณหภูมิต่ำในทางกลับกันถ้าค่าพลังงานแลตทิซมากกว่าค่าพลังงานไฮเดรชันการละลายจะเป็นกระบวนการดูดพลังงานซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของสารละลายลดลงและสารจะละลายได้ดีที่อุณหภูมิสูงในกรณีที่มีค่าพลังงานแลตทิซมากกว่าพลังงานไฮเดรชันมากๆ สารอาจจะละลายได้น้อยมากหรือไม่ละลาย

จากที่ทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกเมื่อละลายน้ำไอออนบวกและไอออนลบจะแยกออกจากกันถ้าการผสมสารละลายของสารประกอบไอออนิกทำให้เกิดตะกอนแสดงว่าไอออนในสารละลายผสมทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารใหม่ที่ไม่ละลายน้ำ ดังรูป

ปฏิกิริยาการเกิดตะกอนของสารประกอบไอออนิกในน้ำอาจเขียนแทนด้วยสมการไอออนิก ที่แสดงไอออนในสารละลายครบทุกชนิดเช่นปฏิกิริยาระหว่างสารละลายซิลเวอร์ไนเตรตกับสารละลายโซเดียมคลอไรด์เขียนสมการไอออนิกได้ดังนี้

Ag^+(aq) + NO3^-(aq) + Na^+(aq) + Cl^-(aq) ---> AgCl(s) + NO3^-(aq) + Na^+(aq)

ไอออนในสมการของปฏิกิริยาที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายแสดงสถานะไอออนเป็น aq ซึ่งมาจากคำว่า a queous solution เนื่องจากในสมการไอออนิกมีไอออนที่ไม่ทำปฏิกิริยาการปรากฏอยู่ทางด้านซ้ายและด้านขวาของสมการที่สามารถตัดออกจากสมการให้เหลือเฉพาะไอออนที่ทำปฏิกิริยากันได้เป็นผลิตภัณฑ์เรียกว่า สมการไอออนสุทธิ

Ag^+(aq) + Cl^-(aq) ---> AgCl(s)

การอธิบายหรือการทำนายปฏิกิริยาการเกิดตะกอนของสารละลายของสารประกอบไอออนิก สามารถพิจารณาได้จากสมบัติการละลายน้ำตามหลักการเบื้องต้นดังนี้

สารประกอบที่ละลายน้ำ

-สารประกอบของโลหะแอลคาไลและแอมโมเนียทุกชนิด

-สารประกอบไนเทรต คลอเรต เปอร์คลอเรต แอซีเตต

-สารประกอบคลอไรด์ โบรไมด์ ไอโอไดด์

-สารประกอบคอร์บอเนต ฟอสเฟต ซัลไฟด์ และซัลไฟต์

-สารประกอบซัลเฟต

สารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ

-สารประกอบออกไซด์ของโลหะ

-สารประกอบไฮดรอกไซด์

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

3.3.2 การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารโคเวเลนต์
การเขียนสูตรโมเลกุลของสารโคเวเลนต์ กำหนดให้เขียนสัญลักษณ์ของธาตุองค์ประกอบเรียงลำดับดังนี้ B Si C P N H Se S I Br Cl O F ถ้าธาตุใดมีจำนวนอะตอมมากกว่า 1 ให้ระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้นไว้มุมล่างด้านขวาของสัญลักษณ์ เช่น $\displaystyle CO_2$ $\displaystyle BF_3$ ส่วนการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์ที่เป็นธาตุคู่ ให้เรียกชื่อธาตุที่อยู่หน้าก่อนแล้วตามด้วยชื่อธาตุที่อยู่ถัดมา โดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ ท้ายเป็น ไ-ด์ (-ide) พร้อมทั้งระบุจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุด้วยภาษากรีก ดังตาราง 2.7 ในกรณีที่ธาตุแรกมีอะตอมเดียวไม่ต้องระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้น แต่จำนวนอะตอมของธาตุหลังยังคงระบุเช่นเดิม

ภาษากรีก	จำนวนอะตอม
มอนอ (mono) ได (di) ไตร (tri) เตตระ (tetra) เพนตะ (penta) เฮกซะ (hexa) เฮปตะ (hepta) ออกตะ (octa) โนนะ (nona) เดคะ (deca)	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ตัวอย่างการเขียนสูตรและการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์

สาร

ชื่อ

CO
$\displaystyle CO_2$
$\displaystyle BF_3$
$\displaystyle CL_2 O$
$\displaystyle SiCl_4$
$\displaystyle SF_6$
$\displaystyle P_2 O_5$
$\displaystyle P_4 O_{10}$
$\displaystyle Cl_2 O_7$

คาร์บอนมอนอกไซด์
คาร์บอนไดออกไซด์
โบรอนไตรฟลูออไรด์
ไดคลอรีนมอนอกไซด์
ซิลิคอนเตตระคลอไรด์
ซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์
ไดฟอสฟอรัสเพนตะออกไซด์
เตตระฟอสฟอรัสเดคะออกไซด์
ไดคลอรีนเฮปตะออกไซด์

การเรียกชื่อสารโคเวเลนต์ที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบบางชนิดไม่เป็นไปตามหลักที่กำหนดไว้ เช่น $\displaystyle H_2 S$ ไฮโดรเจนซัลไฟด์) และ HCI (ไฮโดรเจนคลอไรด์) ไม่มีการระบุจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุ นอกจากนี้ $\displaystyle H_2 O$ (น้ำ) $\displaystyle NH_3$ (แอมโมเนีย) และ $\displaystyle CH_4$ (มีแทน) มักจะเรียกชื่อสารโดยใช้ชื่อสามัญ

3.3.3 ความยาวพันธะและพลังงานพันธะ
จากกราฟในรูป 2.12 การเกิดโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนนั้น อะตอมของไฮโดรเจนจะเคลื่อนที่เข้าใกล้กันได้มากที่สุดและเกิดสมดุลระหว่างแรงดึงดูดกับแรงผลักที่ระยะ 74 พิโกเมตร ถ้าเข้าใกล้กันมากกว่านี้ แรงผลักจะเพิ่มมากขึ้นและโมเลกุลจะไม่เสถียร ระยะ 74 พิโกเมตรจึงเป็นระยะที่สั้นที่สุดที่นิวเคลียสของอะตอมทั้งสองสร้างพันธะกันในโมเลกุล ระยะนี้เรียกว่า ความยาวพันธะ ความยาวพันธะหาได้จากการศึกษาการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X - ray diffraction) ผ่านโครงผลึกของสารหรือจากการศึกษาวิเคราะห์สเปกตรัมของโมเลกุลของสาร

เมื่อพิจารณาข้อมูลในตารางจะพบว่าความยาวพันธะระหว่างอะตอม O กับ H ในโมเลกุลของสารต่างชนิดกันมีค่าแตกต่างกันและแตกต่างจากข้อมูลที่สืบค้นได้คือความยาวพันธะ O-H เท่ากับ 97 พิโกเมตร เนื่องจากความยาวพันธะระหว่างอะตอมคู่หนึ่งหาได้จากค่าเฉลี่ยของความยาวพันธะระหว่างอะตอมคู่เดียวกันในโมเลกุลชนิดต่างๆ ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงความยาวพันธะ โดยทั่วไปจึงหมายถึง ความยาวพันธะเฉลี่ย

สำหรับความยาวพันธะเฉลี่ยระหว่างอะตอมคู่ต่างๆแสดงดังตาราง

พันธะเดี่ยว		พันธะคู่	พันธะสาม
H - H 74 H - F 92 H - Cl 128 H - Br 141 H - I 160 H - N 101 H - O 97 H - S 134 N - Cl 197	C - C 154 C - N 147 N - N 140 O - O 148 C - O 143 C - H 108 C - Cl 177 C - Br 194 C - S 182 S - O 161	C = C 134 C = N 130 N = N 125 O = O 121 C = O 122	$\displaystyle C \equiv C$ 120 $\displaystyle C \equiv N$ 116 $\displaystyle N \equiv N$ 110

การรวมตัวกันของไฮโดรเจนจะมีการสร้างพันธะระหว่างอะตอมเกิดเป็นโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนและคายพลังงานออกมา 436 กิโลจูลต่อโมลดังนี้

$\displaystyle 2H(g) \to H_2$ (g) +436 kj

ในทางกลับกันการทำให้โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนกลายเป็นไฮโดรเจนอะตอมจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุด 436 กิโลจูลต่อโมลดังนี้

$\displaystyle H_2 (g) +436 kj \to 2H(g)$

                  พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ใช้เพื่อสลายพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลที่อยู่ในสถานะแก๊สให้เป็นอะตอมเดี่ยวในสถานะแก๊สเรียกว่า พลังงานพันธะ
                  สำหรับโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่าสองอะตอมจะมีพันธะในโมเลกุลมากกว่าหนึ่งพันธะ การทำให้โมเลกุลสลายเป็นอะตอมเดี่ยวจึงต้องใช้พลังงานสูงเพื่อสลายพันธะจำนวนหลายพันธะ เช่น การสลายโมเลกุลของน้ำ $\displaystyle H_2 O$ จะต้องใช้พลังงานเพื่อสลายพันธะ O-H ดังนี้

H - O - H(g) + 502 kJ/mol   -->    H(g) + O - H(g)

O - H(g) + 424 kJ/mol   --> H(g) + O(g)

                  จะสังเกตได้ว่าการสลายพันธะ O-H แต่ละพันธะในโมเลกุลของน้ำใช้พลังงานไม่เท่ากัน เมื่อคำนวณพลังงานเฉลี่ยของ O-H ในโมเลกุลของน้ำจะได้ 463 กิโลจูลต่อโมล
                  การสลายพันธะ C-H ในโมเลกุลมีเทน $\displaystyle CH_4$ ใช้พลังงานดังนี้

                  การสลายพันธะ C - H ในโมเลกุลมีเทนแต่ละพันธะใช้พลังงานไม่เท่ากัน ผลรวมของพลังงานที่ใช้สลายพันธะ C - H ทั้ง 4 พันธะเท่ากับ 1652 กิโลจูลต่อโมล จะได้พลังงานพันธะเฉลี่ย C - H เท่ากับ 413 กิโลจูลต่อโมล ดังนั้นเมื่อกล่าวถึงพลังงานพันธะใดจึงหมายถึง <b>พลังงานพันธะเฉลี่ย</b>
                 นอกจากนี้การสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารโคเวเลนต์ชนิดต่างๆ จะใช้พลังงานไม่เท่ากัน ดังนั้นพลังงานพันธะจึงไม่คิดจากการสลายพันธะในโมเลกุลของสารใดสารหนึ่งเท่านั้น แต่คิดเป็นค่าเฉลี่ยของพลังงานที่ต้องใช้สลายพันธะระหว่างอะตอมคู่นั้นในโมเลกุลของสารประกอบหลายชนิด ค่าพลังงานพันธะเฉลี่ยระหว่างอะตอมคู่ต่างๆ แสดงในตาราง

พันธะเดี่ยว		พันธะคู่	พันธะสาม
H - H 436 H - F 567 H - Cl 431 H - Br 366 H - I 298 H - N 391 H - O 463 H - S 364 O - S 521 F - F 159 Br - Br 192	C - C 348 C - N 286 N - N 158 O - O 144 C - O 360 C - H 413 C - Cl 327 C - Br 285 C - S 289 Cl - Cl 243 I - I 151	C = C 614 C = N 615 N = N 470 O = O 498 C = O 804	$\displaystyle C \equivC$ 839 $\displaystyle C \equivN$ 890 $\displaystyle N \equivN$ 945

พลังงานพันธะใช้บอกความแข็งแรงของพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมคู่เดียวกันได้ โดยพันธะที่มีพลังงานพันธะสูงกว่าจะมีความแข็งแรงมากกว่า เช่น พันธะระหว่าง C - C C = C มีค่าพลังงานพันธะ 348 614 และ 839 กิโลจูลต่อโมล ตามลำดับ แสดงว่าพันธะสามแข็งแรงกว่าพันธะคู่ และพันธะคู่แข็งแรงกว่าพันธะเดี่ยว จากข้อมูลในตาราง 2.10 และตาราง 2.11 พบว่าอะตอมบางคู่เกิดพันธะได้มากกว่า 1 ชนิด โดยมีความยาวพันธะและพลังงานพันธะแตกต่างกัน ในกรณีของพันธะระหว่างอะตอมคู่เดียวกัน พันธะเดี่ยวจะยาวที่สุดแต่มีพลังงานพันธะต่ำที่สุด ในทางกลับกันพันธะสามจะสั้นที่สุดแต่มีพลังงานพันธะสูงที่สุด แสดงว่าถ้าความยาวพันธะมีค่ามาก พลังงานพันธะจะมีค่าน้อย
การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเกี่ยวข้องกับการสลายพันธะในสารตั้งต้นและการสร้างพันธะในผลิตภัณฑ์ เนื่องจากอะตอมต่างๆ ในโมเลกุลยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเคมี การสลายพันธะจึงต้องดูดพลังงานและการสร้างพันธะจะมีการคายพลังงาน ถ้าทราบทั้งชนิดและจำนวนของพันธะทั้งหมดที่สลายกับพันธะที่เกิดขึ้นใหม่ เราอาจใช้ค่าพลังงานพันธะคำนวณหาพลังงานของปฏิกิริยา $\displaystyle (\Delta H)$ ได้ โดยพิจารณาจากผลรวมของพลังงานที่ต้องใช้สลายพันธะในสารตั้งต้น $\displaystyle (E_1)$ ซึ่งจะมีเครื่องหมายเป็นบวก ( + ) กับผลรวมของพลังงานที่คายออกเมื่อสร้างพันธะใหม่ในผลิตภัณฑ์ $\displaystyle (E_2)$ โดยมีเครื่องหมายเป็นลบ ( - ) เขียนเป็นความสัมพันธ์ได้ดังนี้

$\displaystyle \Delta H = E_1 + E_2$

ถ้าพลังงานที่ใช้สลายพันธะมีค่ามากกว่าพลังงานที่คายออกเมื่อสร้างพันธะใหม่ ปฏิกิริยานั้นจะเป็นแบบดูดพลังงานและ $\displaystyle \Delta H$ มีเครื่องหมายเป็นบวก ( + ) ในทางกลับกันถ้า $\displaystyle \Delta H$ มีเครื่องหมายเป็นลบ ( - ) แสดงว่าพลังงานที่คายออกมามีค่ามากกว่าพลังงานที่ต้องใช้สลายพันธะ ปฏิกิริยาจะเป็นแบบคายพลังงาน

3.3.4 รูปร่างของโมเลกุล

การศึกษาในเรื่องความยาวพันธะทำให้ทราบระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่สร้างพันธะในโมเลกุลแต่ความยาวพันธะไม่สามารถบอกลักษณะการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลแบบสามมิติหรือรูปร่างโมเลกุลได้
เพื่อให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างโมเลกุลของโมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมตั้งแต่ 3 อะตอมขึ้นไป ให้ศึกษาการจัดเรียงตัวของลูกโป่งแล้วนำมาอุปมาอุปไมยกับการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลจากการทดอลงต่อไปนี้

ดูการทดลองได้ที่นี้ครับ:รูปร่างโมเลกุล

3.3.5 สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์

จากการศึกษาสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวกัน เช่น $\displaystyle H_2$ พบว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะกระจายอยู่รอบๆ อะตอมทั้งสองเท่ากัน พันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว ดังรูป 2.17 (ก)
แต่ในสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกัน เช่น HCI อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะใช้เวลาอยู่กับอะตอม CI ซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะตอมของ H ทำให้อะตอม CI แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วน H มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก พันธะที่เกิดขึ้นลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว ดังรูป

การแสดงขั้วของพันธะอาจใช้สัญลักษณ์ $\displaystyle \delta ^ +$ (อ่านว่า เดลต้าบวก) กับอะตอมที่แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวกและ $\displaystyle \delta ^ -$ (อ่านว่า เดลต้าลบ) กับอะตะมที่แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ หรืออาจใช้เครื่องหมาย $\displaystyle \delta^+$ โดยหัวลูกศรจะชี้ไปในทิศทางที่อะตอมแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วนท้ายลูกศรซึ่งคล้ายกับเครื่องหมายบวกจะอยู่บริเวณอะตอมที่แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก ดังนั้นขั้วของพันธะ H - CI จึงเขียนแสดงได้ดังนี้

                 โมเลกุลอะตอมคู่ที่ประกอบด้วยพันธะไม่มีขั้ว เช่น $\displaystyle H_2$    $\displaystyle O_2$     และ $\displaystyle Cl_2$    จะเป็น<b>โมเลกุลไม่มีขั้ว</b> แต่ถ้าโมเลกุลอะตอมคู่ประกอบด้วยพันธะมีขั้ว เช่น HF   HCI และ HBr จะเป็นโมเลกุลมีขั้ว
                 นักเรียนคิดว่าในโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอมจะเป็นโมเลกุลมีขั้วหรือไม่พิจารณาอย่างไร ให้ศึกษาจากตัวอย่างโมเลกุล $\displaystyle CO_2$    ต่อไปนี้

                  เนื่องจากอะตอม O มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า C จึงดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะให้อยู่กับ O มากกว่า C เป็นผลให้ O แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบและ C แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบอก พันธะ C = O จึงเป็นพันธะมีขั้ว แต่โมเลกุลของ $\displaystyle CO_2$    มีรูปร่างเป็นเส้นตรง พันธะ C = O ทั้งสองพันธะมีอำนาจไฟฟ้าเท่ากันและดึงดูดอิเล็กตรอนในทิศทางตรงข้ามกัน อำนาจไฟฟ้าจึงหักล้างกันหมด ทำให้ $\displaystyle CO_2$    เป็นโมเลกุลโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว ตัวอย่างโมเลกุลโคเวเลนต์ไม่มีขั้วที่มีรูปร่างเป็นแบบอื่นๆ ศึกษาได้จากตาราง

ขอขอบคุณตัวอย่างตรารางจาก นางสาวลักษมณ ประทุมมา

โมเลกุลของไตรคอลโรมีเทน $\displaystyle (CHCl_3)$ พันธะ C - H และพันธะ C - CI เป็นพันธะมีขั้วและมีอำนาจไฟฟ้าแตกต่างกัน เมื่อพิจารณารูปร่างโมเลกุลพบว่าอำนาจไฟฟ้าของพันธะหักล้างกันไม่หมด $\displaystyle CHCl_3$ จึงเป็นโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้ว โดยด้าน H แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก CI แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ

เมื่อพิจารณาโมเลกุลของแอมโมเนีย พันธะ N - H ทั้งสามเป็นพันธะมีขั้วที่มีอำนาจไฟฟ้าเท่ากัน แต่อะตอม N มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 1 คู่ จึงทำให้โมเลกุลแอมโมเนียมีรูปร่างเป็นพีระมิดฐานสามเหลี่ยม อำนาจไฟฟ้าของพันธะหักล้างกันไม่หมด แอมโมเนียจึงเป็นโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้วโดยด้าน N แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ และ H แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก

3.3.6 แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์

สารโคเวเลนต์มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ในสถานะของแข็งอนุภาคของสารจะอยู่ชิดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันสูง แต่ในสถานะของเหลวอนุภาคจะอยู่ห่างกัน แรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อกันน้อยลง และในสถานะแก๊สจะมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันน้อยมาก โมเลกุลของแก๊สจึงอยู่ห่างกัน เมื่อให้ความร้อนแก่สารจนถึงจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด อนุภาคของสารจะมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดออกจากกัน และเกิดการเปลี่ยนสถานะได้จากปริมาณความร้อนที่ใช้เพื่อการเปลี่ยนสถานะของสาร ทำให้เราทราบว่าสารในสถานะของแข็งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าสารชนิดเดียวกันในสถานะของเหลว และสารในสถานะของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าในสถานะแก๊สดังนั้น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจึงเป็นข้อมูลใช้พิจารณาเปรียบเทียบแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารได้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารบางชนิดแสดงดังตาราง

3.4 พันธะไฮโดรเจน

นอกจากไฮโดรเจนฟลูออไรด์แล้วมีสารใดอีกบ้างที่มีพันธะไฮโดรเจน พิจารณาได้จากกราฟแสดงจุดเดือดของสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากการรวมตัวระหว่างไฮโดรเจนกับธาตุหมู่ IVA VA VIA และ VIIA ดังรูป

จากกราฟจะพบว่าจุดเดือดของสารประกอบของไฮโดรเจนกับธาตุหมู่ IVA VA VIA และ VIIA มีแนวโน้มเหมือนกัน กล่าวคือจุดเดือดสูงขึ้นเมื่อมวลโมเลกุลเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะ $\displaystyle H_2 O$ และ $\displaystyle NH_3$ ซึ่งมีจุดเดือดสูงเช่นเดียวกับ HF และสูงกว่าสารอื่นๆ ในหมู่เดียวกัน นักเรียนคิดว่า $\displaystyle H_2 O$ และ $\displaystyle NH_3$ น่าจะมีพันธะไฮโดรเจนเหมือนกับ HF หรือไม่

โมเลกุลของ $\displaystyle H_2 O$ และ $\displaystyle NH_3$ มีสภาพขั้วของพันธะ O - H และ N - H ในโมเลกุลสูงมาก อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจึงถูกดึงให้เข้ามาใกล้อะตอมของ O และ N นานมากกว่าทางด้านอะตอมของ H เมื่อโมเลกุลของสารแต่ละชนิดเข้าใกล้กัน ไฮโดรเจนซึ่งมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนน้อยและมีอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวกสูง จะดึงดูดกับอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากและมีอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบของอีกโมเลกุลหนึ่งเกิดเป็นพันธะไฮโดรเจน แสดงว่าในโมเลกุลที่ประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจนกับธาตุ F O และ N สามารถเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล ดังรูป

3.4.1 สารโครงผลึกร่างตาข่าย

สารโคเวเลนต์ที่ศึกษามาแล้วมีโครงสร้างโมเลกุลขนาดเล็ก มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ แต่มีสารโคเวเลนต์บางชนิดมีโครงสร้างโมเลกุลขนาดยักษ์ มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงมาก เนื่องจากอะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์ยึดเหนี่ยวกันทั้งสามมิติเกิดเป็นโครงสร้างคล้ายตาข่าย สารประกอบนี้เรียกว่า สารโครงผลึกร่างตาข่าย ตัวอย่างสารโครงผลึกร่างตาข่ายเช่น

เพชร
เพชรเป็นอัญรูปหนึ่งของคาร์บอนและเป็นผลึกโคเวเลนต์ ในโครงสร้างเพชร คาร์บอนแต่ละอะตอมใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนทั้งหมดสร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมอีก 4 อะตอมที่อยู่ล้อมรอย เพชรจึงไม่นำไฟฟ้า มีความยาวพันธะ C - C 154 พิโกเมตร การจัดอะตอมในผลึกเพชรคล้ายตาข่ายโยงกันทั้ง 3 มิติ เป็นผลให้อะตอมของคาร์บอนยึดกันไว้แน่น เพชรจึงมีความแข็งแรงสูงที่สุด มีจุดหลอมเหลวสูงถึง 3550 และมีจุดเดือดสูงมากถึง 4830 แบบจำลองโครงสร้างของเพชรเป็นดังรูป

แกรไฟต์

แกรไฟต์เป็นผลึกโคเวเลนต์และเป็นอีกอัญรูปหนึ่งของคาร์บอนแต่มีโครงสร้างแตกต่างจากเพชร กล่าวคืออะตอมของคาร์บอนจัดเรียงตัวเป็นชั้นๆ และสร้างพันธะโคเวเลนต์ต่อกันเป็นวง วงละ 6 อะตอมต่อเนื่องกันอยู่ภายในระนาบเดียวกัน พันธะระหว่างอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ในชั้นเดียวกันมีความยาว 140 พิโกเมตร แต่จากข้อมูลโดยทั่วไปพบว่าพันธะเดี่ยวระหว่างอะตอมของคาร์บอน (C - C) มีความยาว 154 พิโกเมตร และพันธะคู่ระหว่างอะตอมของคาร์บอน (C = C) มีความยาว 134 พิโกเมตร แสดงว่าอะตอมของคาร์บอนในชั้นเดียวกันของแกรไฟต์ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะที่มีความยาวอยู่ระหว่างพันธะเดี่ยวกับพันธะคู่ ส่วนอะตอมของคาร์บอนในแต่ละชั้นอยู่ห่างกัน 340 พิโกเมตรการจัดอะตอมเป็นโครงผลึกร่างตาข่ายนี้ส่งผลให้อะตอมของคาร์บอนยึดกันไว้แน่น ทำให้แกรไฟต์มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง
คาร์บอนอะตอมในโครงผลึกของแกรไฟต์มี 4 เวเลนซ์อิเล็กตรอน แต่ละอะตอมจะสร้างพันธะกับคาร์บอน 3 อะตอมที่อยู่ใกล้เคียงกัน จึงมี 1 อิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ไปทั่วภายในชั้น ด้วยเหตุนี้แกรไฟต์จึงนำไฟฟ้าได้ดีเฉพาะภายในชั้นเดียวกัน จากการที่คาร์บอนอะตอมในแต่ละชั้นของแกรไฟต์อยู่ห่างกัน 340 พิโกเมตร ซึ่งมีค่ามากกว่าความยาวของพันธะเดี่ยวระหว่างคาร์บอน แสดงว่าคาร์บอนอะตอมระหว่างชั้นไม่ได้สร้างพันธะโคเวเลนต์กัน แต่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ที่ไม่แข็งแรงเท่ากับพันธะโคเวเลนต์ในชั้นเดียวกัน แกรไฟต์จึงเลื่อนไถลไปตามชั้นได้ง่าย ทำให้มีสมบัติในการหล่อลื่นได้ดี เราจึงใช้แกรไฟต์ทำไส้ดินสอดำและเป็นสารหล่อลื่น นอกจากนี้ยังใช้ทำสีผ้าหมึกสำหรับเครื่องพิมพ์ดีดและเครื่องพิมพ์สำหรับคอมพิวเตอร์ แบบจำลองโครงสร้างของแกรไฟต์เป็นดังรูป

ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO_2)

หรือซิลิกา

ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นผลึกโคเวเลนต์มีโครงสร้างเป็นผลึกร่างตาข่าย อะตอมของซิลิคอนจัดเรียงตัวเหมือนกับคาร์บอนในผลึกเพชร แต่มีออกซิเจนคั่นอยู่ระหว่างอะตอมของซิลิคอนแต่ละคู่ ผลึกซิลิคอนไดออกไซด์จึงมีจุดหลอมเหลวสูงถึง 1730 $\displaystyle C \equiv C$ และมีความแข็งสูง ในธรรมชาติพบซิลิคอนไดออกไซด์ได้หลายรูป เช่น ควอตซ์ ไตรดีไมต์ และคริสโตบาไลต์ ใช้เป็นวัตถุดิบในการทำแก้ว ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอตซ์ ใยแก้วนำแสง (optical fiber) แบบจำลองโครงสร้างของ $\displaystyle SiO_2$ แสดงได้

ดังรูป

............................................................................................................

เคมี

บทที่3

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น