บทที่ 3 พันธะเคมี

             
       พันธะเคมีคือ แรงยึดเหนี่ยวที่อยู่ระหว่างอะตอมซึ่งทำให้อะตอมต่าง ๆ เข้ามาอยู่รวมกันเป็นโมเลกุลได้ การสร้างพันธะเคมีของอะตอมเกิดขึ้นได้ เนื่องจากอะตอมต้องการจะปรับตัวให้ตนเองมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 หรือให้ใกล้เคียงกับการครบ 8 ให้มากที่สุด (ตามกฎออกเตต) ดังนั้นจึงต้องอาศัยอะตอมอื่น ๆ มาเป็นตัวช่วยให้อิเล็กตรอนเข้ามาเสริม หรือเป็นตัวรับเอาอิเล็กตรอนออกไป และจากความพยายามในการปรับตัวของอะตอมเช่นนี้เองที่ทำให้อะตอมมีการสร้างพันธะเคมีกับอะตอมอื่น ๆ


    สัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสและกฎออกเตต

   จากการศึกษาเรื่องอะตอมและสมบัติของธาตุทำให้ทราบว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอม ทั้งนี้การเกิดพันธะเคมีเกี่ยวข้องกับเวเลนซ์อิกเล็กตรอนของคู่อะตอมที่ร่วมสร้างพันธะกัน
    เวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุอาจแสดงด้วยจุด สัญลักษณ์ที่แสดงธาตุและเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุ เรียกว่า สัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิส (Lewis dot symbol) ซึ่งเสนอโดยกิลเบิร์ต นิวตัน ลิวอิส โดยเขียนจุดเดี่ยวทั้ง 4 ด้านรอบสัญลักษณ์ของธาตุก่อน แล้วจึงเติมจุดให้เป็นคู่ (ยกเว้นธาตุฮีเลียมที่มี 2 เวเลนซ์อิเล็กตรอน จะเขียนเป็นจุดคู่ที่อยู่ด้านเดียวกัน)

นอกจากนี้นักเคมียังพบว่า อะตอมของธาตุอื่นๆ มีแนวโน้ม ที่จะรวมตัวกันเพื่อที่จะทำให้แต่ละเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 จึงมีการสรุปเป็นหลักการที่เรียกว่า กฎออกเตต (Octet rule)

              สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง  ของเหลว  หรือแก๊ส  เช่น  เหล็ก  ทองแดง  เกลือแกง  น้ำตาลทราย  น้ำ  แก๊สไฮโดรเจน  สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร
             เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง 1535 องศาเซลเซียส การทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง 801 องศาเซลเซียส การสลายโมเลกุลของไฮโดรเจนให้เป็นอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะแก๊สต้องใช้พลังงาน 436 กิโลจูลต่อโมล จากตัวอย่างดังกล่าวเป็นหลักฐานที่แสดงว่าม  แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร

           แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารอาจเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในก้อนโลหะ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนในสารประกอบไอออนิกให้อยู่ร่วมกันเป็นผลึก หรือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุให้อยู่รวมกันเป็นโมเลกุล 

     พันธะไอออนิก

       โลหะเป็นอะตอมที่มีขนาดใหญ่ มีค่าพลังงานไอออไนเซชันต่ำ โลหะจึงเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้ง่าย ส่วนอโลหะเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็ก มีค่าพลังงานไอออไนเซชันสูง อโลหะจึงเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้ยากกว่าโลหะ และโลหะกับอโลหะมีสมบัติบางประการที่คล้ายกัน และสารเหล่านี้มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่เหมือนกัน

   การเกิดพันธะไอออนิก

           นักวิทยาศาสตร์พบว่าแก๊สเฉื่อยสามารถอยู่เป็นอะตอมอิสระและมีเสถียรภาพสูง ธาตุหมู่นี้มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น  ns^2 np^6   ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ยกเว้นฮีเลียมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ส่วนธาตุอื่นๆ มักทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารประกอบเพื่อจะปรับให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 8                  เท่ากับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแก๊สเฉื่อย แสดงว่าอะตอมที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เป็นสภาพที่เสถียรที่สุด การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้เรียกว่า กฎออกเตต การเกิดสารประกอบระหว่างอะตอมของโลหะจะมีลักษณะการรวมตัวอย่างไรศึกษาได้จากตัวอย่างการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์และแคลเซียมฟลูออไรด์

เมื่อโลหะโซเดียมทำปฎิกิริยากับแก๊สคลอรีนจะเกิดการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมทั้งสองเกิดเป็นโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออน ไอออนทั้งสองมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเกิดเป็นพันธะไอออนิกแรงดึงดูดระหว่างโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนเช่นนี้จะเกิดต่อเนื่องกันไปเป็นโครงผลึกขนาดใหญ่ และเรียกสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกว่า สารประกอบไอออนิก

   โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก

          สารประกอบไอออนิกที่ปรากฎอยู่ในสถานะของแข็งมีการจัดเรียงตัวของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นผลึกที่มีโครงสร้างหลากหลาย จากการศึกษาโซเดียมคลอไรด์  (NaCl)  พบว่า Na+ และ  CL-   จัดเรียงสลับกันไปอย่างต่อเนื่องทั้งสามมิติโดยที่  Na+   แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย Cl-      6  ไอออนและ  Cl-  แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย  Na+  6  ไอออน (ดังรูป 2.1) โซเดียมคลอไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ  Na+  กับ  Cl- เป็น 1 : 1  

            โครงสร้างสารประกอบไอออนิก ชนิดอื่นๆ ก็จะมีไอออนบวกและไอออนลบล้อมรอบซึ่งกันและกันแต่อาจมีจำนวนแตกต่างกัน จะเป็นเท่าใดขึ้นอยู่กับสัดส่วนของจำนวนประจุ ขนาดของไอออนและโครงสร้างผลึก

     สูตรเคมีและชื่อของสารประกอบไอออนิก

             เราทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้า ในการเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจึงต้องทราบว่าแต่ละธาตุที่ทำปฏิกิริยากันนั้นจะเกิดเป็นไอออนชนิดใด และมีจำนวนประจุเท่าใด ซึ่งพิจารณาได้จากการจัดอิเล็กตรอนของธาตุ ตัวอย่างไอออนของโลหะและอโลหะศึกษาได้จากรูป

     พลังงานกับการเกิดสารประกอบไอออนิก

        การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นด้วย นักเรียนคิดว่าเมื่อโลหะโซเดียมทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างไร

          การศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารประกอบไอออนิก วิธีการหนึ่งอาจพิจารณาจากวัฎจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์ ซึ่งพัฒนาโดยแมกซ์ บอร์น และฟริตซ์ฮาเบอร์ โดยการตั้งสมมติฐานว่าการเกิดสารประกอบไอออนิกชนิดหนึ่งๆ มีหลายขั้น ในแต่ละขั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นด้วย เราจะพิจารณาการเกิดโซเดียมคลอไรด์จากปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีน ซึ่งมีขั้นตอนต่างๆ

    1.  การระเหิดของโซเดียม โลหะโซเดียมสถานะของแข็งระเหิดกลายเป็นอะตอมในสถานะแก๊ส ใช้พลังงาน 107 กิโลจูลต่อโมลของโซเดียมอะตอม เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานการระเหิด

     2.  การสลายพันธะของแก๊สคลอรีน โมเลกุลของแก๊สใช้พลังงาน 122 กิโลจูลต่อโมลอะตอมของคลอรีน เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานการสลายพันธะ

     3.  การแตกตัวเป็นไอออนของโซเดียม  อะตอมของโซเดียมในสถานะแก๊สเสียอิเล็กตรอนออกไปกลายเป็น Na + ใช้พลังงาน  496  กิโลจูลต่อโมลอะตอมของโซเดียม เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานไอออไนเซชัน

     4.  การเกิดคลอไรด์ไอออน  อะตอมของคลอรีนในสถานะแก๊สรับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมของโซเดียมกลายเป็น Cl-  คายพลังงาน  349  กิโลจูลต่อโมลของคลอไรด์ไอออน

     5.  การเกิดโซเดียมคลอไรด์  โซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนในสถานะแก๊สรวมตัวกันเป็นผลึกโซเดียมคลอไรด์และคายพลังงานออกมา 787 กิโลจูลต่อโมลของโซเดียมคลอไรด์ เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานโครงผลึกหรือพลังงานแลตทิซ

 ปฏิกิริยาที่มีการดูดพลังงานมากกว่าพลังงานที่คายออกมาจัดเป็นปฏิกิริยาแบบดูดพลังงาน ค่า H จะมีเครื่องหมายเป็นบวก ในทางตรงข้ามปฏิกิริยาที่คายพลังงานมากกว่าพลังงานที่ดูดเข้าไปจัดเป็นปฏิกิริยาแบบคายพลังงาน ค่า H จะมีเครื่องหมายเป็นลบ

     สมบัติของสารประกอบไอออนิก

             สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบ เมื่อทุบผลึกของสารไอออนิกจะเกิดการเลื่อนไถลของไอออนไปตามระนาบผลึก เป็นผลให้ไอออนชนิดเดียวกันเลื่อนไปอยู่ตรงกัน จึงเกิดแรงผลักระหว่างไอออน ทำให้ผลึกแตกออก ดังรูป  เราจึงสังเกตพบว่าสารไอออนิกเปราะและแตกได้ง่าย

        พลังงานแลตทิซ  คือพลังงานที่คายออกเมื่อไอออนบวกกับไอออนลบในสถานะแก๊สรวมตัวกันเกิดเป็นโครงผลึกส่วนการทำให้ไอออนบวกและไอออนลบในโครงผลึกหลุดออกมาเป็นกระบวนการย้อนกลับ จึงต้องใช้พลังงานเท่ากับพลังงานแลตทิซ

  กระบวนการที่ไอออน + และ ไอออน - แยกออกจากโครงผลึกเป็นกระบวนการดูดพลังงานที่มีค่าเท่ากับพลังงานแลตทิช ส่วนกระบวนการที่โมเลกุลของน้ำล้อมรอบไอออนแต่ละชนิดเป็นกระบวนการคายพลังงานที่เรียกว่า พลังงานไฮเดรชัน (Hydration Energy)

    สมการไอออนิกและสมการไอออนิกสุทธิ

       สมการไอออนิก (Ionic  equation ) คือ  สมการเคมีที่เขียนเฉพาะไอออนหรือโมเลกุลของสารที่มีส่วนในการเกิดปฏิกิริยา ส่วนไอออนหรือโมลกุลของสารใดไม่มีส่วนในการเกิดปฏิกิริยาไม่ต้องเขียน สมการไอออนิก จะต้องเป็นสมการที่มีสารใดสารหนึ่งเป็นไอออนร่วมอยู่ด้วยในปฏิกิริยานั้น เช่น

                      Zn (s)  +  2H⁺ (aq)  --------------->  Zn²⁺ (aq)   +  H₂ (g)

                    H⁺ (aq)  +  OH^- (aq)  -------------------->  H₂O (l)

  เนื่องจากในสมการไอออนิกมีไอออนที่ไม่ทำปฏิกิริยากัน ปรากฎอยู่ทั้งด้านซ้ายและขวาของสมการ ซึ่งสามารถตัดออกจากสมการให้เหลือเฉพาะไอออนที่ทำปฏิกิริยากันได้เป็นผลิตภัณฑ์ เรียกว่า สมการไอออนิกสุทธิ (Net Ionic Equation) 

  การอธิบายหรือการทำนายปฏิกิริยาของการเกิดตะกอนของสารละลายของสารประกอบไอออนิกสามารถพิจารณาได้จากสมบัติการละลายน้ำ ตามหลักการเบื้องต้น 

  สารประกอบที่ละลายน้ำ

   - สารประกอบของโลหะแอลคาไล และแอมโมเนียมทุกชนิด

   - สารประกอบไนเตรต คลอเรต เปอร์คลอเรต แอซีเตต

   - สารประกอบคลอไรด์ โบรไมด์ ไอโอไดด์ (Except  สารประกอบของ Ag+ Pb2+  Hg ห้อย 2  2+ ไม่ละลาย PbCl ห้อย 2 ละลายได้ )

   - สารประกอบซัลเฟต (Except Pb2+ Sr2+ Ba2+ สารประกอบของ Ca2+ และ Ag+ ละลายได้น้อย)

 สารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ

   - สารประกอบออกไซด์ของโลหะ ( Except ออกไซด์ของโลหะแอลคาไล และออกไซด์ของ Ca2+ Sr2+ Ba2+ )

   - สารประกอบไฮดรอกไซด์  ( Except  ไฮดรอกไซด์และโลหะแอลคาไล  แอมโมเนียม และของ Sr2+ Ba2+ ส่วนของ Ca2+ ละลายได้น้อย)

   - สารประกอบคาร์บอเนต ฟอสเฟต ซัลไฟด์ และซัลไฟต์ (Except สารประกอบของแอมโมเนียมและของโลหะแอลคาไล )


    พันธะโคเวเลนต์

        พันธะโคเวเลนต์ คือ สารที่เกิดจากธาตุอโลหะรวมตัวกัน เช่น แก๊สออกซิเจน แก๊สไนโตรเจน และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ การยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุในสารเหล่านี้เป็นพันธะไอออนิก

    การเกิดพันธะโคเวเลนต์

             โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอม ไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมรวมกันอย่างไร    ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีค่า IE สูงจึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก เมื่อไฮโดรเจน 2 อะตอมอยู่ใกล้กันจะเกิดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนในนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม จึงมีแนวโน้มสูงที่จะพบอิเล็กตรอนทั้งสองอยู่ในบริเวณระหว่างนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม และดึงดูดให้นิวเคลียสเข้ามาใกล้กันมากขึ้น 
              ในขณะเดียวกันก็จะมีแรงผลักระหว่างโปรตอนกับโปรตอนและระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมด้วย    เมื่ออะตอมทั้งสองเข้ามาใกล้กันในระยะที่เหมาะสม อะตอมทั้งสองจะมีพลังงานต่ำสุดและอยู่รวมกันเป็นโมเลกุลโดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกันแรงดึงดูดที่ทำให้อะตอมอยู่รวมกันได้ในลักษณะนี้เรียกว่า พันธะโคเวแลนต์ โมเลกุลของสารที่อะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เรียกว่า โมเลกุลโคเวเลนต์ และสารที่ประกอบด้วยอะตอมที่สร้างพันธะโคเวเลนต์เรียกว่า สารโคเวเลนต์

กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดโมเลกุลไฮโดรเจน

       ชนิดของพันธะโคเวเลนต์

             นักเรียนทราบแล้วว่าเมื่ออะตอมของธาตุรวมกันเกิดเป็นสารประกอบจะทำให้แต่ละอะตอมมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเป็น 8 ตามกฎออกเตต เช่น การรวมตัวของธาตุไฮโดรเจนกับธาตุฟลูออรีนเกิดเป็นไฮโดรเจนฟลูออไรด์ ไฮโดรเจนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 1  ต้องการอีก 1 อิเล็กตรอนจึงจะครบ 2 เหมือนฮีเลียม ส่วนฟลูออรีนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 ต้องการอีก  1  อิเล็กตรอนจึงจะครบ 8 แต่ธาตุทั้งสองมีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 สูง แสดงว่าเสียอิเล็กตรอนได้ยาก จึงไม่มีอะตอมใดให้อิเล็กตรอน ธาตุทั้งสองจึงใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่ เกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ชนิด                               พันธะ เดี่ยว อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันนี้เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ

           เขียนสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสแสดงได้ดังตัวอย่าง

         การแสดงการเกิดพันธะโคเวเลนต์ด้วยสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิส โดยใช้จุด 2 จุด หรืออาจใช้เส้น  1  เส้นแทนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ  1  คู่  ระหว่างอะตอมทั้งสองเรียกว่า โครงสร้างลิวอิส  จากตัวอย่างจะสังเกตเห็นว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอนบางอิเล็กตรอนไม่ได้เกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเรียกว่า อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

ถ้าอะตอมทั้งสองใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่ พันธะที่เกิดขึ้นเรียกว่า  พันธะสาม เช่น ในโมเลกุลไนโตรเจน Nห้อย2 อะเซทิลีน Cห้อย2Hห้อย 4  เขียนโครงสร้างลิวอิสแสดงได้ดังนี้

โครงสร้างลิวอิสของโมเลกุลโคเวเลนต์บางชนิด

     สูตรโมเลกุลและชื่อของสารโคเวเลนต์

        การเขียนสูตรโมเลกุลของสารโคเวเลนต์ กำหนดให้เขียนสัญลักษณ์ของธาตุองค์ประกอบเรียงลำดับดังนี้ B   Si  C  P  N  H  Se  S  I  Br  Cl  O  F  ถ้าธาตุใดมีจำนวนอะตอมมากกว่า 1  ให้ระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้นไว้มุมล่างด้านขวาของสัญลักษณ์ 

      

  ให้เรียกชื่อของธาตุที่อยู่ข้างหน้าก่อนแล้วตามด้วยชื่อของธาตุที่อยู่ด้านหลัง 

โดยเปลี่ยนเสียงพยางค์ท้ายของธาตุเป็น-ไอด์(-ide) ดังตัวอย่างดังต่อไปนี้
                                    

          ไฮโดรเจน (H)                                           ออกเสียงเป็น ไฮไดรต์
           คาร์บอน (C)                                             ออกเสียงเป็น คาร์ไบด์
            ไนโตรเจน (N)                                          ออกเสียงเป็น ไนไตรด์
               ฟลูออรีน (F)                                             ออกเสียงเป็น ฟลูออไรด์
               ลอรีน (CI)                                              ออกเสียงเป็น คลอไรต์
               ออกซิเจน (O)                                           ออกเสียงเป็น ออกไซต์

       ความยาวพันธะและพลังงานพันธะของสารโคเวเลนต์

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

                      ระยะห่างระหว่างนิวเคลียสที่ทำให้พลังงานศักย์รวมต่ำที่สุด เรียกว่า ความยาวพันธะ (Bond Length)

       
       ความยาวพันธะระหว่าง      O - H  ในโมเลกุลของสารต่างชนิดกัน

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

การรวมตัวกันของไฮโดรเจนจะมีการสร้างพันธะระหว่างอะตอมเกิดเป็นโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนและคายพลังงานออกมา 436 

    ในทางกลับกันการทำให้โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนกลายเป็นไฮโดรเจนอะตอมจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุด 436 กิโลจูลต่อโมลดังนี้

  

พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ใช้เพื่อสลายพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลที่อยู่ในสถานะแก๊สให้เป็นอะตอมเดี่ยวในสถานะแก๊สเรียกว่า พลังงานพันธะ

นอกจากนี้การสลายพันธะชนิดเดียวกันในสารโคเวเลนต์ชนิดต่างๆ จะใช้พลังงานไม่เท่ากัน ดังนั้นพลังงานพันธะจึงไม่คิดจากการสลายพันธะในโมเลกุลของสารใดสารหนึ่งเท่านั้น แต่คิดเป็นค่าเฉลี่ยของพลังงานที่ต้องใช้สลายพันธะระหว่างอะตอมคู่นั้นในโมเลกุลของสารประกอบหลายชนิด ค่าพลังงานพันธะเฉลี่ยระหว่างอะตอมคู่ต่างๆ

แนวคิดเกี่ยวกับเรโซแนนซ์

โมเลกุลโคเวเลนต์บางชนิดที่มีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล เช่น โมเลกุลโอโซน    พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดระหว่างอะตอมของออกซิเจนกับออกซิเจนอีก 2 อะตอม ตามกฎออกเตตเขียนแสดงได้ดังนี้

จากโครงสร้างลิวอิสทั้งสองนี้แสดงว่าออกซิเจนอะตอมกลางสร้างพันธะเดี่ยวกับออกซิเจนอะตอมหนึ่งและสร้างพันธะคู่กับออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลนี้มีความยาวไม่เท่ากัน แต่จากการศึกษาพบว่าความยาวพันธะระหว่างอะตอมออกซิเจนทั้งสองพันธะมีค่า 128 พิโกเมตรเท่ากัน  

 ซึ่งเป็นค่าความยาวพันธะระหว่างพันธะเดี่ยวกับพันธะคู่ของออกซิเจนกับออกซิเจน (ความยาวพันธะของ O - O และ O = O เท่ากับ 148 และ 121 พิโกเมตรตามลำดับ) แสดงว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลเป็นพันธะชนิดเดียวกัน ดังนั้นโครงสร้างลิวอิส (ก) หรือ (ข) แบบใดแบบหนึ่งที่แสดงไว้ตอนแรกใช้แทนโมเลกุล Oห้อย3 ไม่ได้ จึงเขียนแทนด้วย โครงสร้างเรโซแนนซ์ ดังนี้

 การที่พันธะระหว่างออกซิเจนกับออกซิเจนทั้ง 2 พันธะเหมือนกันนั้นเกิดจากการที่อิเล็กตรอน 1 คู่สร้างพันธะโคเวเลนต์ตามปกติและอิเล็กตรอน 1 คู่สร้างพันธะโคเวเลนต์ตามปกติ และอิเล็กตรอนอีก 1 คู่จะเคลื่อนที่ไปมาระหว่างอะตอมทั้งสาม อาจกล่าวได้ว่าออกซิเจนแต่ละคู่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3/2 คู่ และเขียนแทนด้วยโครงสร้างดังต่อไปนี้

 โดยเส้นประแทนคู่อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปมา โครงสร้างเรโซแนนซ์อาจพบในโมเลกุลหรือไอออนชนิดอื่นๆ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

    ฟุลเลอรีน (fullerene)เป็นรูปหนึ่งของธาตุคาร์บอนที่มีโครงสร้างเรโซแนนซ์ พูกค้นพบในปลายปี พ.ศ. 2528 โครงสร้างของฟุลเลอรีนมีหลายแบบ แต่ที่เสถียรที่สุด คือ บักมินสเตอร์ฟุลเลอรีน(buckminsterfullerene : Cห้อย6 0  ) หรือเรียกง่ายๆ ว่า บักกับอลล์ (buckyball) ซึ่งมีพันธะระหว่างคาร์บอนอะตอมต่อเนื่องกันคล้ายรอยตะเข็บบนลูกฟุตบอล

       รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์

          การศึกษาในเรื่องความยาวพันธะทำให้ทราบระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่สร้างพันธะในโมเลกุลแต่ความยาวพันธะไม่สามารถบอกลักษณะการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลแบบสามมิติหรือรูปร่างโมเลกุลได้

เพื่อให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างโมเลกุลของโมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมตั้งแต่ 3 อะตอมขึ้นไป ให้ศึกษาการจัดเรียงตัวของลูกโป่งแล้วนำมาอุปมาอุปไมยกับการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลจากการทดลอง

            จากผลการทดลองจะพบว่า เมื่อผูกลูกโป่งเข้าด้วยกันลูกโป่งจะเบียดกันเองจนชี้ไปในทิศทางต่างๆ ในลักษณะเช่นเดียวกันกับในโมเลกุลโคเวเลนต์ กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะรอบอะตอมกลางซึ่งมีประจุเหมือนกันจะผลักกันเอง ทำให้อิเล็กตรอนแต่ละคู่อยู่ห่างกันมากที่สุดเพื่อให้โมเลกุลมีพลังงานต่ำที่สุดและเกิดเสถียรภาพสูงสุด 

            ถ้าให้ขั้วลูกโป่งที่พันติดกันแทนตำแหน่งของอะตอมกลาง ลูกโป่งแทนกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ตำแหน่งของอะตอมอื่นที่สร้างพันธะกับอะตอมกลางจะอยู่ตรงปลายของลูกโป่งแต่ละลูก เมื่อลากเส้นระหว่างอะตอมกลางกับอะตอมสร้างพันธะต่อกัน จะช่วยให้มองเห็นทิศทางและมุมระหว่างพันธะรวมทั้งรูปร่างของโมเลกุลได้อย่างชัดเจน

โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

       สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์

            จากการศึกษาสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวกัน  เช่น Hห้อย2 พบว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะกระจายอยู่รอบๆ อะตอมทั้งสองเท่ากัน พันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว 
                   แต่ในสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกัน เช่น HCI อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะใช้เวลาอยู่กับอะตอม CI ซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะตอมของ H ทำให้อะตอม CI แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วน H มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก พันธะที่เกิดขึ้นลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว 

พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว

การแสดงขั้วของพันธะอาจใช้สัญลักษณ์ เดลต้า + กับอะตอมที่แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวกและ  เดลต้า - กับอะตะมที่แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ หรืออาจใช้เครื่องหมาย   เดลต้า +   โดยหัวลูกศรจะชี้ไปในทิศทางที่อะตอมแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วนท้ายลูกศรซึ่งคล้ายกับเครื่องหมายบวกจะอยู่บริเวณอะตอมที่แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก ดังนั้นขั้วของพันธะ H - CI 

   แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลและสมบัติของสารโคเวเลนต์

             สารโคเวเลนต์มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ในสถานะของแข็งอนุภาคของสารจะอยู่ชิดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันสูง แต่ในสถานะของเหลวอนุภาคจะอยู่ห่างกัน แรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อกันน้อยลง และในสถานะแก๊สจะมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันน้อยมาก โมเลกุลของแก๊สจึงอยู่ห่างกัน เมื่อให้ความร้อนแก่สารจนถึงจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด อนุภาคของสารจะมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดออกจากกันและเกิดการเปลี่ยนสถานะได้จากปริมาณความร้อนที่ใช้เพื่อการเปลี่ยนสถานะของสาร              

         ทำให้เราทราบว่าสารในสถานะของแข็งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าสารชนิดเดียวกันในสถานะของเหลว และสารในสถานะของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าในสถานะแก๊สดังนั้น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจึงเป็นข้อมูลใช้พิจารณาเปรียบเทียบแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารได้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารบางชนิด

         

         สารเหล่านี้มีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันอย่างอ่อนๆ ที่เรียกว่า แรงลอนดอน แรงชนิดนี้เกิดจากการกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมขณะใดขณะหนึ่งซึ่งอาจไม่เท่ากันจึงทำให้เกิดเป็นโมเลกุลมีขั้วขึ้น ขั้วของโมเลกุลที่เกิดขึ้นนี้จะเหนี่ยวนำให้โมเลกุลที่อยู่ใกล้กันเกิดเป็นโมเลกุลมีขั้วขึ้นอีกและเกิดแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน แรงลอนดอนมีค่าสูงขึ้นตามมวลโมเลกุลหรือขนาดของโมเลกุล สำหรับโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้วจะมีแรงกระทำระหว่างขั้วซึ่งเกิดจากอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวกกับอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบของโมเลกุลที่อยู่ใกล้กันเกิดเป็น แรงดึงดูดระหว่างขั้ว

         นอกเหนือจากแรงลอนดอนที่มีอยู่ เป็นผลให้โมเลกุลเหล่านี้ยึดเหนี่ยวกันไว้อย่างแข็งแรง ขนาดของแรงดึงดูดระหว่างขั้วขึ้นอยู่กับความแรงของสภาพขั้วที่เพิ่มขึ้นตามความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์ทั้งแรงลอนดอนและแรงดึงดูดระหว่างขั้วรวมเรียกว่า แรงแวนเดอร์วาลส์  โดยทั่วไปเมื่อกล่าวถึงแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์มักกล่าวถึงแรงที่สำคัญหรือแรงที่มีความแข็งแรงมากกว่า เช่น ในโมเลกุลโคเวเลนต์มีขั้วมักจะกล่าวถึงเฉพาะแรงดึงดูดระหว่างขั้วเท่านั้น แต่ไม่กล่าวถึงแรงลอนดอน

 นอกจากนี้ยังมีแรงดึงดูดระหว่างขั้วอีกชนิดหนึ่ง ซึ่งมีความแข็งแรงมากและเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่มีขนาดเล็ก แรงดังกล่าวจะเป็นแรงชนิดใดเราจะพิจารณาจากโมเลกุลของสารประกอบไฮโดรเจนแฮไลด์

           การที่ HF มีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลสูงกว่าไฮโดรเจนแฮไลด์อื่นๆ อธิบายได้ว่าเพราะฟลูออรีนมีขนาดอะตอมเล็กและมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ผลต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างไฮโดรเจนกับฟลูออรีนมีค่ามากความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในโมเลกุลของไฮโดรเจนฟลูออไรด์จึงอยู่ทางด้านอะตอมฟลูออรีนนานกว่าเป็นผลให้ด้านนี้มีอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบสูง ส่วนไฮโดรเจนมีอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวกสูง ด้วยเหตุนี้โมเลกุลจึงมีสภาพขั้วสูงมากทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของไฮโดรเจนฟลูออไรด์ด้วยกันเองมีค่าสูงมาก แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่เกิดจากอะตอมไฮโดรเจนกับอะตอมของธาตุที่มีขนาดเล็กและมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงเช่นนี้เรียกว่า พันธะไฮโดรเจน

       สารโคเวเลนต์โครงร่างตาข่าย

           สารโคเวเลนต์ที่ศึกษามาแล้วมีโครงสร้างโมเลกุลขนาดเล็ก มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ แต่มีสารโคเวเลนต์บางชนิดมีโครงสร้างโมเลกุลขนาดยักษ์ มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงมาก เนื่องจากอะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์ยึดเหนี่ยวกันทั้งสามมิติเกิดเป็นโครงสร้างคล้ายตาข่าย สารประกอบนี้เรียกว่า สารโครงผลึกร่างตาข่าย ตัวอย่างสารโครงผลึกร่างตาข่าย เช่น

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

     ซิลิคอนไดออกไซด์ หรือซิลิกา

               ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นผลึกโคเวเลนต์มีโครงสร้างเป็นผลึกร่างตาข่าย อะตอมของซิลิคอนจัดเรียงตัวเหมือนกับคาร์บอนในผลึกเพชร แต่มีออกซิเจนคั่นอยู่ระหว่างอะตอมของซิลิคอนแต่ละคู่ ผลึกซิลิคอนไดออกไซด์จึงมีจุดหลอมเหลวสูงถึง 1730  และมีความแข็งสูง ในธรรมชาติพบซิลิคอนไดออกไซด์ได้หลายรูป เช่น ควอตซ์ ไตรดีไมต์ และคริสโตบาไลต์ ใช้เป็นวัตถุดิบในการทำแก้ว ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอตซ์ ใยแก้วนำแสง (optical fiber) แบบจำลองโครงสร้างของ SiOห้อย2 แสดงได้ดังรูป

      พันธะโลหะ

      โลหะบางชนิด เช่น ทองแดง เหล็ก อะลูมิเนียม มีสมบัติบางประการคล้ายกันแสดงว่าสารเหล่านี้มีการยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่เหมือนกัน แล้วอะตอมของธาตุโลหะสร้างพันธะเคมีระหว่างกันอย่างไร เหมือนหรือต่างจากพันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์หรือไม่

      การเกิดพันธะโลหะ

        1. โลหะมีค่าพลังงานไอออไนเซชั่นต่ำมาก แสดงว่าอิเลคตรอนของโลหะจะหลุดออกไปได้ง่าย เมื่อเวเลนซ์อิเลคตรอนหลุดออกไป ก็จะเหลืออนุภาคบวกอะตอมโลหะทุกอะตอมจะเป็นตัวให้อิเลคตรอนทั้งสิ้นดังนั้นจะไม่มีอะตอมใดเลยที่ได้รับอิเลคตรอน

        2. โลหะมีเวเลนซ์อิเลคตรอนน้อย ดังนั้นอิเลคตรอนที่หลุดออกไป จะมีเพียง 1, 2 หรือ 3 ตัวต่อ

อะตอม เท่านั้น

         3. โลหะมีค่าโคออร์ดิเนชั่นนัมเบอร์สูง ซึ่งเท่ากับ 8 หรือ 12 หมายความว่า อะตอมหนึ่งจะมีอะตอมอื่นรอบล้อม 8 ถึง 12 อะตอม ดังนั้นการนำอิเลคตรอนมาใช้ร่วมกันเป็นอิเลคตรอนคู่ในลักษณะของพันธะโคเวเลนท์จึงเป็นไปไม่ได้

          ดังนั้นการเกิดพันธะโลหะควรเป็นไปในลักษณณะที่ว่า เวเลนซ์อิเลคตรอนของอะตอมโลหะที่หลุดออกไปจะไม่เป็นของอะตอมใดอะตอมหนึ่งโดยเฉพาะ แต่จะเป็นของอะตอมทั้งหมด โดยที่อิเลคตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังอะตอมนี้บ้าง อะตอมโน้นบ้าง ในผลึกของโลหะจึงเป็นการเอาอนุภาคบวกมาเรียงกันไว้อย่างมีระเบียบ และมีเวเลนซ์อิเลคตรอนเคลื่อนที่ไปมาได้ทั่วอนุภาคบวกเหล่านั้นเหมือนกับเป็นหมอกปกคลุมอนุภาคบวกทั้งหมด 

แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคบวกกับอิเลคตรอนเรียกว่า "พันธะโลหะ" (Metallic Bond) ซึ่งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างพันธะแข็งแรงมาก

การเกิดพันธะโลหะอาจแสดงได้ด้วยแบบจำลองทะเลอิเล็กตรอน (Electron Sea Model)

    สมบัติของโลหะ

     1. โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี เพราะอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ง่าย
     2. โลหะมีจุดหลอมเหลวสูง เพราะเวเลนต์อิเล็กตรอนของอะตอมทั้งหมดในก้อนโลหะยึดอะตอมไว้อย่างเหนียวแน่น
     3. โลหะสามารถตีแผ่เป็นแผ่นบางๆได้ เพราะมีกลุ่มเวเลนต์อิเล็กตรอนทำหน้าที่ยึดอนุภาคให้เรียงกันไม่ขาดออกจากกัน
     4. โลหะมีผิวเป็นมันวาว เพราะกลุ่มอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยอิสระมีปฏิกิริยาต่อแสง จึงสะท้อนแสงทำให้มองเห็นเป็นมันวาว
     5. สถานะปกติเป็นของแข็ง ยกเว้น Hg เป็นของเหลว
     6. โลหะนำความร้อนได้ดี เพราะอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ได้ทุกทิศทาง

     การใช้ประโยชน์ของสารประกอบไอออนิก สารโคเวเลนต์ และโลหะ

ที่มา http://www.vcharkarn.com