พันธะเคมี: พันธะโคเวเลนต์

พันธะโคเวเลนต์ คือ พันธะเคมี ภายในโมเลกุลลักษณะหนึ่งพันธะโคเวเลนต์เกิดจากอะตอมสองอะตอมใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่งคู่หรือมากกว่าร่วมกันทำให้เกิดแดึงดูดที่รวมอะตอมเป็นโมเลกุลขึ้นอะตอมมักสร้างพันธะโคเวเลนต์เพื่อเติมวงโคจรอิเล็กตรอนรอบนอกสุดให้เต็มดังนั้นอะตอมที่สร้างพันธะโคเวเลนต์จึงมักมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่มาก เช่น ธาตุหมู่ VI และหมู่ VII เป็นต้น พันธะโคเวเลนต์แข็งแรงกว่าพันธะไฮโดรเจนและมีความแข็งแรงพอๆกับพันธะไอออนิกฅ

พันธะโคเวเลนต์มักเกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาทิวิตีใกล้เคียงกัน ธาตุอโลหะมีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์มากกว่าธาตุโลหะซึ่งมักสร้างพันธะโลหะ เนื่องจากอิเล็กตรอนของธาตุโลหะสามารถเคลื่อนอย่างอิสระ ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนของธาตุอโลหะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระนักการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันจึงเป็นทางเลือกเดียวในการสร้างพันธะกับธาตุที่มีสมบัติคล้ายๆกันอย่างไรก็ดีพันธะโคเวเลนต์ที่มีโลหะนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการเร่งปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นพันธะโคเวเลนต์ระหว่างสารอินทรีย์กับโลหะเป็นเครื่องมือสำคัญของกระบวนการสร้างพอลิเมอร์หลายๆเป็นต้น
อย่างไรก็ตามในการศึกษาในระดับที่สูงขึ้นจะพบว่าพันธะโคเวเลนต์ไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นระหว่างธาตุโลหะกับอโลหะเท่านั้น

1.ชนิดของพันธะโคเวเลนต์
1. พันธะเดี่ยว (Single covalent bond )เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 อิเล็กตรอน เช่น F2 Cl2 CH4 เป็นต้น

2.พันธะคู่ ( Doublecovalent bond ) เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันของธาตุทั้งสองเป็นคู่ หรือ 2 อิเล็กตรอน เช่น O2 CO2 C2H4 เป็นต้น

3.พันธะสาม( Triple covalent bond ) เกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 อิเล็กตรอน ของธาตุทั้งสอง เช่น N2 C2H2 เป็นต้น

โครงสร้างลิวอิสของโมเลกุลโคเวเลนต์บางชนิด

จากการที่อะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพื่อทำให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 ตามกฎออกเตตจึงสามารถใช้กฎออกเตตทำนายจำนวนพันธะโคเวเลนต์ของแต่ละอะตอมได้ ตัวอย่างเช่น ธาตุคาร์บอนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 4 จึงต้องการอีก 4 อิเล็กตรอนเพื่อให้ครบ 8 นั่น คือคาร์บอนจะเกิดพันธะได้ 4 พันธะ ซึ่งอาจเป็นพันธะเดี่ยวทั้งหมดหรืออาจมีพันธะคู่หรือพันธะสามร่วมด้วยก็ได้ เช่น พันธะของคาร์บอนในโมเลกุลอีเทน เอทิลีน และอะเซทิลีน ตามลำดับ

สารโคเวเลนต์บางชนิดประกอบด้วยพันธะโคเวเลนต์ที่อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะมาจากอะตอมใดอะตอมหนึ่งเท่านั้น พันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์

ตัวอย่าง พันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ในไอออน

ในกรณีนี้ มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 1 คู่ ส่วน เป็นไอออนที่ไม่มีอิเล็กตรอน จึงให้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวแก่เกิดพันธะใหม่ระหว่าง กับซึ่งเป็นพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ อย่างไรก็ตามเมื่อศึกษาเพิ่มเติมต่อไปจะพบว่าพันธะระหว่าง N กับ H ทั้ง 4 พันธะในไอออน นี้มีลักษณะไม่แตกต่างกัน

ตัวอย่าง พันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ในโมเลกุล

2.โมเลกุลที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตต
ในโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ได้ศึกษามาแล้วส่วนใหญ่อะตอมกลางจะมีจำนวนอิเล็กตรอนล้อมรอบเป็นไปตามกฎออกเตต แต่มีบางโมเลกุลที่จำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางน้อยกว่า 8 อิเล็กตรอน เช่น ในโมเลกุลเบริลเลียมคลอไรด์ ซึ่งมีอิเล็กตรอนรอบเบริลเลียมเพียง 4 อิเล็กตรอน หรือในโมเลกุลโบรอนไตรฟลูออไรด์ มีอิเล็กตรอนรอบโบรอนเพียง 6 อิเล็กตรอนโครงสร้างลิวอิสของสารทั้งสองแสดงดังรูป

การเขียนสูตรโมเลกุลของสารโคเวเลนต์ กำหนดให้เขียนสัญลักษณ์ของธาตุองค์ประกอบเรียงลำดับดังนี้ B Si C P N H Se S I Br Cl O F ถ้าธาตุใดมีจำนวนอะตอมมากกว่า 1 ให้ระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้นไว้มุมล่างด้านขวาของสัญลักษณ์ เช่น ส่วนการเรียกชื่อสารประกอบโคเวเลนต์ที่เป็นธาตุคู่ ให้เรียกชื่อธาตุที่อยู่หน้าก่อนแล้วตามด้วยชื่อธาตุที่อยู่ถัดมา โดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ ท้ายเป็น ไ-ด์ (-ide) พร้อมทั้งระบุจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุด้วยภาษากรีก ดังตาราง 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

3.ความยาวพันธะและพลังงานพันธะ
การเกิดโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนนั้น อะตอมของไฮโดรเจนจะเคลื่อนที่เข้าใกล้กันได้มากที่สุดและเกิดสมดุลระหว่างแรงดึงดูดกับแรงผลักที่ระยะ 74 พิโกเมตร ถ้าเข้าใกล้กันมากกว่านี้ แรงผลักจะเพิ่มมากขึ้นและโมเลกุลจะไม่เสถียร ระยะ 74 พิโกเมตรจึงเป็นระยะที่สั้นที่สุดที่นิวเคลียสของอะตอมทั้งสองสร้างพันธะกันในโมเลกุล ระยะนี้เรียกว่า ความยาวพันธะ ความยาวพันธะหาได้จากการศึกษาการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X - ray diffraction) ผ่านโครงผลึกของสารหรือจากการศึกษาวิเคราะห์สเปกตรัมของโมเลกุลของสาร

ความยาวพันธะระหว่าง O - H ในโมเลกุลของสารต่างชนิดกัน

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

การรวมตัวกันของไฮโดรเจนจะมีการสร้างพันธะระหว่างอะตอมเกิดเป็นโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนและคายพลังงานออกมา 436 กิโลจูลต่อโมลดังนี้

(g) +436 kj

พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ใช้เพื่อสลายพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลที่อยู่ในสถานะแก๊สให้เป็นอะตอมเดี่ยวในสถานะแก๊สเรียกว่า พลังงานพันธะ

สำหรับโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่าสองอะตอมจะมีพันธะในโมเลกุลมากกว่าหนึ่งพันธะ การทำให้โมเลกุลสลายเป็นอะตอมเดี่ยวจึงต้องใช้พลังงานสูงเพื่อสลายพันธะจำนวนหลายพันธะ เช่น การสลายโมเลกุลของน้ำ 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 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 แนวคิดเกี่ยวกับเรโซแนนซ์

โมเลกุลโคเวเลนต์บางชนิดที่มีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล เช่น โมเลกุลโอโซน พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดระหว่างอะตอมของออกซิเจนกับออกซิเจนอีก 2 อะตอม ตามกฎออกเตตเขียนแสดงได้ดังนี้จากโครงสร้างลิวอิสทั้งสองนี้แสดงว่าออกซิเจนอะตอมกลางสร้างพันธะเดี่ยวกับออกซิเจนอะตอมหนึ่งและสร้างพันธะคู่กับออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่งซึ่งหมายความว่าพันธะทั้งสองใโมเลกุลนี้มีความยาวไม่เท่ากันแต่จากการศึกษาพบว่าความยาวพันธะระหว่างอะตอมออกซิเจนทั้งสองพันธะมีค่า 128 พิโกเมตรเท่ากัน ซึ่งเป็นค่าความยาวพันธะระหว่างพันธะเดี่ยวกับพันธะคู่ของออกซิเจนกับออกซิเจน (ความยาวพันธะของ O - O และ O = O เท่ากับ 148 และ 121 พิโกเมตรตามลำดับ) แสดงว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลเป็นพันธะชนิดเดียวกัน ดังนั้นโครงสร้างลิวอิส (ก) หรือ (ข) แบบใดแบบหนึ่งที่แสดงไว้ตอนแรกใช้แทนโมเลกุล ไม่ได้ จึงเขียนแทนด้วย โครงสร้างเรโซแนนซ์ ดังนี้

4.รูปร่างของโมเลกุลโคเวเลนต์
การศึกษาในเรื่องความยาวพันธะทำให้ทราบระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่สร้างพันธะในโมเลกุลแต่ความยาวพันธะไม่สามารถบอกลักษณะการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลแบบสามมิติหรือรูปร่างโมเลกุลได้เพื่อให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างโมเลกุลของโมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมตั้งแต่ 3 อะตอมขึ้นไปรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ขึ้นอยู่กับ

- ทิศทางของพันธะโคเวเลนต์ , ความยาวพันธะ , และมุมระหว่างพันธะโคเวเลนต์รอบอะตอมกลางทิศทางของพันธะขึ้นอยู่กับ แรงผลักระหว่างพันธะรอบอะตอมกลาง เพื่อให้ห่างกันมากที่สุด แรงผลักของอิเล็กตรอนคู่อิสระของอะตอมกลางที่มีต่อพันธะรอบอะตอมกลางแรงนี้มีค่ามากกว่าแรงที่พันธะผลักกันเอง

1.โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
พิจารณาโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอม 2 ชนิด คือ A และB โดยกำหนดให้ A เป็นอะตอมกลาง B เป็นอะตอมที่ล้อมรอบ และโมเลกุลมีสูตทั่วไปเป็น

2.โมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
ในโมเลกุลที่มีทั้งอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว จะมีแรงผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ซึ่งแสดงแนวโน้มได้เป็นดังนี้

5.สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์
จากการศึกษาสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวกัน เช่น พบว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะกระจายอยู่รอบๆ อะตอมทั้งสองเท่ากัน พันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว แต่ในสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกัน เช่น HCI อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะใช้เวลาอยู่กับอะตอม CI ซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะตอมของ H ทำให้อะตอม CI แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วน H มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก พันธะที่เกิดขึ้นลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว

6.แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเรกุลโคเวเลนต์
สารโคเวเลนต์มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ในสถานะของแข็งอนุภาคของสารจะอยู่ชิดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันสูงแต่ในสถานะของเหลวอนุภาคจะอยู่ห่างกันแรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อกันน้อยลงและในสถานะแก๊สจะมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันน้อยมากโมเลกุลของแก๊สจึงอยู่ห่างกันเมื่อให้ความร้อนแก่สารจนถึงจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด อนุภาคของสารจะมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดออกจากกัน และเกิดการเปลี่ยนสถานะได้จากปริมาณความร้อนที่ใช้เพื่อการเปลี่ยนสถานะของสาร ทำให้เราทราบว่าสารในสถานะของแข็งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าสารชนิดเดียวกันในสถานะของเหลว และสารในสถานะของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าในสถานะแก๊สดังนั้น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจึงเป็นข้อมูลใช้พิจารณาเปรียบเทียบแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารได้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารบางชนิด

7.กฎออกเตต
จากการศึกษาเกี่ยวกับธาตุเฉื่อยเช่น He, Ne, Ar, Kr พบว่าเป็นธาตุที่จัดอยู่ในประเภทโมเลกุลอะตอมเดียวทุกสถานะคือใน 1 โมเลกุลของธาตุเฉื่อยจะมีเพียง 1 อะตอมทั้งสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซในธรรมชาติเกือบจะไม่พบสารประกอบของธาตุเฉื่อยเลยแสดงว่าธาตุเฉื่อยเป็นธาตุที่เสถียรมากดังนั้นธาตุต่างๆ ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 จึงพยายามปรับตัวให้มีโครงสร้างแบบธาตุเฉื่อยเช่นโดยการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพื่อทำให้เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ส่วนไฮโดรเจนจะพยายามปรับตัวให้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 เหมือนธาตุ He
2He=2
10Ne = 2 , 8

18Ar = 2 , 8 , 8

36Kr = 2 , 8 , 18 , 8

ส่วนธาตุหมู่อื่นมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด ไม่ครบ 8 เช่น

1H = 1

6C = 2 , 4

7N = 2 , 5

8O=2,6
การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมตัวกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งเป็นกฎเรียกว่ากฎออกเตต
ข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต
     ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าอะตอมของธาตุต่าง ๆ มักจะรวมตัวกันเป็นสารประกอบเพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตตซึ่งจะทำให้สารประกอบนั้นอยู่ในสภาพที่เสถียรเช่น H2O, PCl3, NH3, CO2 แต่อย่างไรก็ตามเมื่อมีการศึกษาให้กว้างขวางออกไปก็พบว่าสารประกอบบางชนิดมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนไม่เป็นไปตามกฎออกเตต บางชนิดมีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 และบางชนิดมีเวเลนต์อิเล็กตรอนมากกว่า 8 ซึ่งสารต่างๆ เหล่านี้แม้ว่าจะไม่เป็นไปตามกฎออกเตต แต่ก็อยู่ในภาวะที่ไม่เสถึยร จัดว่าเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตตซึ่งสรุปได้ดังนี้
1.พวกที่ไม่ครบออกเตต
     ได้แก่สารประกอบของธาตุในคาบที่ 2 ของตารางธาตุ ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า4เช่น4Beและ5B
4Be=2,2เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ2
5B=2,3เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ3
ธาตุ Be และ B เมื่อเกิดเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ทั่ว ๆ ไปจะไม่ครบออกเตต
2.พวกที่เกินกฎออกเตต
      ตามทฤษฎีสารประกอบของธาตุที่อยู่ในคาบที่ 3 ของตารางธาตุเป็นต้นไป สารมารถสร้างพันธะแล้วทำให้อิเล็กตรอนเกิน 8 ได้ (ตามกฎการจัดอิเล็กตรอน 2n2 ในคาบที่ 3 สามารถมีอิเล็กตรอนได้เต็มที่ถึง 18 อิเล็กตรอน) นอกจากสารประกอบที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตตดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีสารประกอบอื่น ๆ อีกบางชนิดซึ่งไม่เป็นไปตามกฎออกเตต เช่น ออกไซด์บางตัวของธาตุไนโตรเจน ( NO และ NO2 )และออกไซด์ของคลอรีน (ClO2) เป็นต้น ธาตุเหล่านี้ (N และ Cl) สามารถมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่ หรืออิเล็กตรอนเดี่ยว (Unpaired electron) ซึ่งทำให้แสดงสมบัติเป็น paramagnetic ได้

สารประกอบอื่นๆ สามารถตรวจสอบว่าเป็นไปตามกฎออกเตตหรือไม่ ทำได้โดยนับอิเล็กตรอนจากอะตอมกลางดังนี้ นับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมกลางของธาตุนั้นๆ นับจำนวนแขนที่เกิดกับอะตอมกลางนับประจุลบของไอออนนั้นๆ เอาข้อ1,2,3 มารวมกัน

ข้อระวัง ! สารประกอบบางตัว สามารถเกิดโคออร์ดิเนตได้จะไม่เกิดออกเตต