3.3 พันธะโคเวเลนต์

3.3 พันธะโคเวเลนต์

 

                      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 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่า พันธะเดี่ยว เช่น ในโมเลกุลของไฮโดรเจน 

* ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่า พันธะคู่ เช่น ในโมเลกุลของออกซิเจน   

* ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่า พันธะสาม เช่น ในโมเลกุลของไฮโดรเจน     

จากการศึกษาสารโคเวเลนต์จะพบว่า ธาตุที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์ส่วนมากเป็นธาตุอโลหะกับอโลหะ ทั้งนี้เนื่องจากโลหะมีพลังงานไอออไนเซชันค่อนข้างสูง จึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก เมื่ออโลหะรวมกันเป็นโมเลกุลจึงไม่มีอะตอมใดเสียอิเล็กตรอน มีแต่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ อย่างไรก็ตามโลหะบางชนิดก็สามารถเกิดพันธะโคเวเลนต์กับอโลหะได้ เช่นBe เกิดเป็นสารโคเวเลนต์คือ BeCl2เป็นต้น

สารประกอบโคเวเลนต์ แบ่งเป็น 2 ประเภท     1. Homonuclear molecule (โมเลกุลของธาตุ) หมายถึงสารประกอบโคเวเลนต์ที่ในหนึ่งโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมายึดกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น H2, O2,Br2 ,N2 ,F2 ,Cl2เป็นต้น      2. Heteronuclear molecule (โมเลกุลของสารประกอบ) หมายถึง สารประกอบโคเวเลนต์ที่ในหนึ่งโมเลกุลประกอบด้วยธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป มายึดกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น HCl , CH4, H2O , H2SO4 ,HClO4เป็นต้นสมบัติของสารประกอบโคเวเลนต์

สารประกอบโคเวเลนต์ มีสมบัติดังนี้

1. มีสถานะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เช่น

-สถานะของเหลว เช่น น้ำเอทานอลเฮกเซน

-สถานะของแข็ง เช่น น้ำตาลทราย (C12H22O11),แนพทาลีนหรือลูกเหม็น (C10H8)

-สถานะแก๊ส เช่น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2),แก๊สมีเทน (CH4),แก๊สโพรเพน (C3H8)

2. มีจุดหลอมเหลวต่ำ หลอมเหลวง่ายเนื่องจากมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่ไม่แข็งแรงสามารถถูกทำลายได้ง่าย

3. มีทั้งละลายน้ำและไม่ละลายน้ำ เช่น เอทานอลละลายน้ำ แต่เฮกเซนไม่ละลายน้ำ

4.สารประกอบโคเวเลนต์ไม่นำไฟฟ้าเนื่องจากมีประจุไฟฟ้าเป็นกลาง และอิเล็กตรอนทั้งหมดถูกใช้เป็นอิเล็กตรอน การเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์      สารประกอบโคเวเลนต์เป็นโมเลกุลของสารที่เกิดจากอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาสร้างพันธะโคเวเลนต์ต่อกันด้วยสัดส่วนต่าง ๆ กัน ทำให้เป็นการยากในการเรียกชื่อสาร จึงได้มีการตั้งกฎเกณฑ์ในการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์ขึ้น เพื่อให้สามารถสื่อความเข้าใจถึงลักษณะโครงสร้างของสารประกอบโคเวเลนต์ได้ตรงกัน โดยนักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดหลักเกณฑ์ในการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์ไว้ดังนี้      1.ให้เรียกชื่อของธาตุที่อยู่ข้างหน้าก่อนแล้วตามด้วยชื่อของธาตุที่อยู่ด้านหลัง โดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ท้ายของธาตุเป็น-ไอด์(-ide) ดังตัวอย่างดังต่อไปนี้ ไฮโดรเจน (H)          ออกเสียงเป็น ไฮไดรต์ คาร์บอน (C)           ออกเสียงเป็น คาร์ไบด์ ไนโตรเจน (N)          ออกเสียงเป็น ไนไตรด์ ฟลูออรีน (F)           ออกเสียงเป็น ฟลูออไรด์ คลอรีน (CI)            ออกเสียงเป็น คลอไรต์ ออกซิเจน (O)          ออกเสียงเป็น ออกไซต์      2.ระบุจำนวนอะตอมของธาตุไว้หน้าชื่อธาตุ โดยวิธีการระบุจำนวนอะตอมของธาตุจะระบุโดยใช้ชื่อตัวเลขในภาษากรีก ดังนี้      แต่มีข้อยกเว้น คือ ไม่ต้องมีการระบุจำนวนอะตอมของธาตุที่อยู่ด้านหน้าในกรณีที่ธาตุที่อยู่ด้านหน้ามีอยู่เพียงอะตอมเดียว และไม่จำเป็นต้องมีการระบุจำนวนอะตอมของธาตุในกรณีที่ธาตุที่อยู่ด้านหน้าเป็นธาตุไฮโดรเจน ไม่ว่าจะมีกี่อะตอมก็ตาม ตัวอย่างการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์                                            N2O5N                เรียกว่า          ไดโนโตรเจนเพนตะออกไซด์ N2O                   เรียกว่า          ไดโนโตรเจนมอนอกไซด์CCI4                   เรียกว่า          คาร์บอนเตตระคลอไรด์ SO2                    เรียกว่า          ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ CO                    เรียกว่า           คาร์บอนมอนนอกไซด์ CO2                      เรียกว่า           คาร์บอนไดออกไซด์ H2S                   เรียกว่า           ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ความยาวและพลังงานพันธะของสารโคเวเลนต์ รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์ พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว ลักษณะสำคัญของพันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว      1.เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เกิดกับคู่อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน      2.เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่มีการกระจายอิเล็กตรอนให้แต่ละอะตอมเท่ากัน      3.พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้วอาจจะเกิดกับพันธะโคเวเลนต์ชนิดพันธะเดี่ยว เช่น Cl - Cl พันธะโคเวเลนต์ชนิดพันธะคู่ เช่น O = O และพันธะโคเวเลนต์ชนิดพันธะสาม เช่น N N      4.พันธะโคเวเลนต์ที่ไม่มีขั้วเกิดในโมเลกุลใดเรียกว่า โมเลกุลไม่มีขั้ว (non- polar molecule) พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว ลักษณะสำคัญของพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว      1.พันธะโคเวเลนต์มีขั้วเกิดกับคู่อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่างกัน      2.เป็นพันธะโคเวเลนต์ที่มีการกระจายอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมไม่เท่ากัน      3.พันธะโคเวเลนต์มีขั้วเกิดในโมเลกุลใด โมเลกุลนั้นจะมีขั้วหรืออาจจะไม่มีขั้วก็ได้ แต่ถ้าพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว เกิดในโมเลกุลที่มีเพียง 2 อะตอม โมเลกุลนั้นต้องเป็นโมเลกุลมีขั้วเสมอ เขียนสัญลักษณ์แสดงขั้วของพันธะ      ใช้เครื่องหมาย อ่านว่า เดลตา โดยกำหนดให้ว่า พันธะมีขั้วใดที่อะตอมแสดงอำนาจไฟฟ้าลบ (เป็นอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง) ใช้เครื่องหมายแทนด้วย และพันธะโคเวเลนต์มีขั้วใดที่อะตอมแสดงอำนาจไฟฟ้าบวก (เป็นอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำ ) ใช้เครื่องหมายแทนด้วย เช่น HF และ ClF แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์      เมื่ออะตอมของธาตุต่าง ๆ มีการสร้างพันธะร่วมกันจนกลายเป็นโมเลกุลโคเวเลนต์แล้ว โมเลกุลจะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันทำให้สามารถเข้ามาอยู่ร่วมกันเป็นกลุ่มก้อนของสารต่าง ๆ ได้ โดยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลนี้จะเป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อสมบัติต่าง ๆ ของสาร เช่น สถานะของสาร จุดเดือดและจุดหลอมเหลว การนำไฟฟ้าของสาร เป็นต้น      ในโมเลกุลโคเวเลนต์ต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นโมเลกุลที่มีขั้วหรือไม่มีขั้ว ล้วนแต่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลด้วยกันทั้งสิ้น ซึ่งแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์นั้นสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้      1.แรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals Force) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของสาร ซึ่งประกอบด้วยแรง 2ชนิด คือ           -แรงลอนดอน (London force หรือ Disperion force)เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ไม่มีขั้ว มีแรงยึดเหนี่ยวต่ำเกิดจากอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะที่อยู่ระหว่างอะตอมมีการเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ อะตอมทำให้เกิดสภาพขั้วไฟฟ้าอ่อน ๆ ขึ้นชั่วขณะ จึงทำให้โมเลกุลของสารดึงดูดเข้าหากันได้ สารที่มีแรงยึดเหนี่ยวประเภทนี้จึงเป็นสารที่มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ           -แรงดึงดูดระหว่างขั้ว (Dipole-dipole force) เป็นแรงยึดเหนี่ยวที่เกิดระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์ที่มีขั้วเกิดจากขั้วบวกของโมเลกุลหนึ่งดึงดูดระหว่างขั้วนี้จะมีความแข็งแรงมากกว่าแรงลอนดอน ดังนั้นสารที่มีแรงยึดเหนี่ยวชนิดนี้จะมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูงกว่าสารที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงลอนดอน      2.พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond) เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่มีลักษณะคล้ายกับแรงดึงดูดระหว่างขั้ว แต่จะเกิดขึ้นในโมเลกุลของสารประกอบที่เกิดจากอะตอมของธาตุไฮโดรเจน (H) ซึ่งสร้างพันธะกับอะตอมของธาตุฟลูออรีน (F) หรือออกซิเจน (O) หรือ ไนโตรเจน (N) เนื่องจากอะตอมของธาตุเหล่านี้มีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนที่สูงกว่าอะตอมของไฮโดรเจนมาก ทำให้สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะให้เบี่ยงเบนไปจากแนวกึ่งกลางได้มาก จึงเกิดสภาพขั้วที่รุนแรงกว่ามาก ทำให้พันธะไฮโดรเจนมีความแข็งแรงยากต่อการสลายพันธะ ตัวอย่างของสารประกอบที่มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลแบบพันธะไฮโดรเจน ได้แก่ น้ำ (H2O), แอมโมเนีย (NH3) เป็นต้น