บทที่3
พันธะเคมี
พันธะโคเวเลนต์
จากการศึกษาข้อมูลพบว่า น้ำตาลทราย เอทานอลหรือแก๊สไฮโดรเจน มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ เมื่อละลายในน้ำแล้วสารละลายที่ได้ไม่นำไฟฟ้า แสดงว่าสารกลุ่มนี้ละลายน้ำแล้วไม่แตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นสารเหล่านี้คงไม่มีไอออนบวกและไอออนลบเป็นองค์ประกอบ รวมทั้งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมน่าจะแตกต่างจากสารประกอบไอออนิก นักเรียนคิดว่าอะตอมของสารกลุ่มนี้ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงชนิดใด
2.2.1 การเกิดพันธะโคเวเลนต์
โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอม ไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมรวมกันอย่างไร
ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีค่า IE สูงจึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก เมื่อไฮโดรเจน 2 อะตอมอยู่ใกล้กันจะเกิดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนในนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม จึงมีแนวโน้มสูงที่จะพบอิเล็กตรอนทั้งสองอยู่ในบริเวณระหว่างนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม และดึงดูดให้นิวเคลียสเข้ามาใกล้กันมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็จะมีแรงผลักระหว่างโปรตอนกับโปรตอนและระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมด้วย เมื่ออะตอมทั้งสองเข้ามาใกล้กันในระยะที่เหมาะสม อะตอมทั้งสองจะมีพลังงานต่ำสุดและอยู่รวมกันเป็นโมเลกุลโดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกันแรงดึงดูดที่ทำให้อะตอมอยู่รวมกันได้ในลักษณะนี้เรียกว่า พันธะโคเวแลนต์ โมเลกุลของสารที่อะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เรียกว่า โมเลกุลโคเวเลนต์ และสารที่ประกอบด้วยอะตอมที่สร้างพันธะโคเวเลนต์เรียกว่า สารโคเวเลนต์
จากการศึกษาข้อมูลพบว่า น้ำตาลทราย เอทานอลหรือแก๊สไฮโดรเจน มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ เมื่อละลายในน้ำแล้วสารละลายที่ได้ไม่นำไฟฟ้า แสดงว่าสารกลุ่มนี้ละลายน้ำแล้วไม่แตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นสารเหล่านี้คงไม่มีไอออนบวกและไอออนลบเป็นองค์ประกอบ รวมทั้งแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมน่าจะแตกต่างจากสารประกอบไอออนิก นักเรียนคิดว่าอะตอมของสารกลุ่มนี้ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงชนิดใด
2.2.1 การเกิดพันธะโคเวเลนต์
โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอม ไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมรวมกันอย่างไร
ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีค่า IE สูงจึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก เมื่อไฮโดรเจน 2 อะตอมอยู่ใกล้กันจะเกิดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอนในนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม จึงมีแนวโน้มสูงที่จะพบอิเล็กตรอนทั้งสองอยู่ในบริเวณระหว่างนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม และดึงดูดให้นิวเคลียสเข้ามาใกล้กันมากขึ้น ในขณะเดียวกันก็จะมีแรงผลักระหว่างโปรตอนกับโปรตอนและระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมด้วย เมื่ออะตอมทั้งสองเข้ามาใกล้กันในระยะที่เหมาะสม อะตอมทั้งสองจะมีพลังงานต่ำสุดและอยู่รวมกันเป็นโมเลกุลโดยใช้อิเล็กตรอนร่วมกันแรงดึงดูดที่ทำให้อะตอมอยู่รวมกันได้ในลักษณะนี้เรียกว่า พันธะโคเวแลนต์ โมเลกุลของสารที่อะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เรียกว่า โมเลกุลโคเวเลนต์ และสารที่ประกอบด้วยอะตอมที่สร้างพันธะโคเวเลนต์เรียกว่า สารโคเวเลนต์
จากกราฟ เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอมอยู่ห่างกัน อะตอมของไฮโดรเจนทั้งคู่จะมีพลังงานศักย์ค่าหนึ่งเมื่ออะตอมเคลื่อนที่เข้าใกล้กัน จะเกิดแรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับโปรตอน ขณะเดียวกันก็จะเกิดแรงผลักระหว่างโปรตอนกับโปรตอนและระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนด้วย แรงดึงดูดและแรงผลักดังกล่าวจะทำให้พลังงานศักย์ลดลง เมื่ออะตอมทั้งสองเข้าใกล้กันมากขึ้นอีก พลังงานศักย์จะลดลงเรื่อยๆ จนกระทั่งนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองอยู่ห่างกันเป็นระยะ 74 พิโกเมตร ผลรวมของแรงดึงดูดและแรงผลักทำให้พลังงานศักย์ของไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมลดลงมากที่สุด ซึ่งมีค่าน้อยกว่าพลังงานเริ่มต้น 436 กิโลจูลต่อโมล ไฮโดรเจนทั้งสองอะตอมจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเกิดเป็นโมเลกุลที่เสถียรมาก ถ้าอะตอมทั้งสองเข้าใกล้กันมากกว่านี้ แรงผลักระหว่างนิวเคลียสและระหว่างอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นทำให้พลังงานศักย์ของโมเลกุลสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนอะตอมทั้งสองอยู่ร่วมกันเป็นโมเลกุลไม่ได้ นักเรียนคิดว่านอกจากโมเลกุลของไฮโดรเจนแล้วยังมีโมเลกุลใดอีกที่มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันแบบนี้
2.2.2 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 พันธะเดี่ยว อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันนี้เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ
จากตัวอย่างการเกิดโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนหรือไฮโดรเจนฟลูออไรด์ช่วยให้ทราบว่าการเกิดพันธะเคมีจะเกี่ยวข้องกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอม สำหรับอะตอมที่เกิดพันธะนั้นนักเคมีนิยมใช้การเขียนสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิส* โดยประกอบด้วยสัญลักษณ์ของธาตุหนึ่งแทนนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนในชั้นถัดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าไป และจุดรอบสัญลักษณ์ซึ่งแทนจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุนั้นๆ ในกรณีของธาตุกลุ่มย่อย A (หมู่ IA ถึง VIIIA) ซึ่งมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับเลขหมู่ จึงเขียนสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสแสดงได้ดังตัวอย่าง
2.2.2 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 พันธะเดี่ยว อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันนี้เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ
จากตัวอย่างการเกิดโมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจนหรือไฮโดรเจนฟลูออไรด์ช่วยให้ทราบว่าการเกิดพันธะเคมีจะเกี่ยวข้องกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแต่ละอะตอม สำหรับอะตอมที่เกิดพันธะนั้นนักเคมีนิยมใช้การเขียนสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิส* โดยประกอบด้วยสัญลักษณ์ของธาตุหนึ่งแทนนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนในชั้นถัดจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าไป และจุดรอบสัญลักษณ์ซึ่งแทนจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุนั้นๆ ในกรณีของธาตุกลุ่มย่อย A (หมู่ IA ถึง VIIIA) ซึ่งมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับเลขหมู่ จึงเขียนสัญลักษณ์แบบจุดของลิวอิสแสดงได้ดังตัวอย่าง
2.2.3 โมเลกุลที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตต
ในโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ได้ศึกษามาแล้วส่วนใหญ่อะตอมกลางจะมีจำนวนอิเล็กตรอนล้อมรอบเป็นไปตามกฎออกเตต แต่มีบางโมเลกุลที่จำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางน้อยกว่า 8 อิเล็กตรอน เช่น ในโมเลกุลเบริลเลียมคลอไรด์
ซึ่งมีอิเล็กตรอนรอบเบริลเลียมเพียง 4 อิเล็กตรอน หรือในโมเลกุลโบรอนไตรฟลูออไรด์ มีอิเล็กตรอนรอบโบรอนเพียง 6 อิเล็กตรอนโครงสร้างลิวอิสของสารทั้งสองแสดงดังรูป
ในโมเลกุลโคเวเลนต์ที่ได้ศึกษามาแล้วส่วนใหญ่อะตอมกลางจะมีจำนวนอิเล็กตรอนล้อมรอบเป็นไปตามกฎออกเตต แต่มีบางโมเลกุลที่จำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางน้อยกว่า 8 อิเล็กตรอน เช่น ในโมเลกุลเบริลเลียมคลอไรด์
ซึ่งมีอิเล็กตรอนรอบเบริลเลียมเพียง 4 อิเล็กตรอน หรือในโมเลกุลโบรอนไตรฟลูออไรด์ มีอิเล็กตรอนรอบโบรอนเพียง 6 อิเล็กตรอนโครงสร้างลิวอิสของสารทั้งสองแสดงดังรูป
2.2.4 การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารโคเวเลนต์
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 2.7 ในกรณีที่ธาตุแรกมีอะตอมเดียวไม่ต้องระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้น แต่จำนวนอะตอมของธาตุหลังยังคงระบุเช่นเดิม
2.2.5 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
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 ไม่ได้ จึงเขียนแทนด้วย โครงสร้างเรโซแนนซ์
: ตัวอย่างเช่น ซัลเฟอร์เฮกซะฟลูออไรด์ มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 6 คู่รอบอะตอมกลาง การจัดตัวที่เสถียรที่สุดของ คือพันธะ S - F ทั้ง 6 พันธะจะชี้ไปที่มุมของรูปทรงที่มีแปดหน้า และมีอะตอมกำมะถันอยู่ตรงกลาง มุมระหว่างพันธะ F - S - F ที่อยู่ถัดกันทุกพันธะเท่ากับ รูปร่างโมเลกุลแบบนี้เรียกว่า ทรงแปดหน้า ดังรูป 2.15 (จ)
คาร์บอนอะตอมในโครงผลึกของแกรไฟต์มี 4 เวเลนซ์อิเล็กตรอน แต่ละอะตอมจะสร้างพันธะกับคาร์บอน 3 อะตอมที่อยู่ใกล้เคียงกัน จึงมี 1 อิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ไปทั่วภายในชั้น ด้วยเหตุนี้แกรไฟต์จึงนำไฟฟ้าได้ดีเฉพาะภายในชั้นเดียวกัน จากการที่คาร์บอนอะตอมในแต่ละชั้นของแกรไฟต์อยู่ห่างกัน 340 พิโกเมตร ซึ่งมีค่ามากกว่าความยาวของพันธะเดี่ยวระหว่างคาร์บอน แสดงว่าคาร์บอนอะตอมระหว่างชั้นไม่ได้สร้างพันธะโคเวเลนต์กัน แต่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ที่ไม่แข็งแรงเท่ากับพันธะโคเวเลนต์ในชั้นเดียวกัน แกรไฟต์จึงเลื่อนไถลไปตามชั้นได้ง่าย ทำให้มีสมบัติในการหล่อลื่นได้ดี เราจึงใช้แกรไฟต์ทำไส้ดินสอดำและเป็นสารหล่อลื่น นอกจากนี้ยังใช้ทำสีผ้าหมึกสำหรับเครื่องพิมพ์ดีดและเครื่องพิมพ์สำหรับคอมพิวเตอร์ แบบจำลองโครงสร้างของแกรไฟต์เป็นดังรูป
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 2.7 ในกรณีที่ธาตุแรกมีอะตอมเดียวไม่ต้องระบุจำนวนอะตอมของธาตุนั้น แต่จำนวนอะตอมของธาตุหลังยังคงระบุเช่นเดิม
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
2.2.6 แนวคิดเกี่ยวกับเรโซแนนซ์
โมเลกุลโคเวเลนต์บางชนิดที่มีพันธะคู่อยู่ในโมเลกุล เช่น โมเลกุลโอโซน พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดระหว่างอะตอมของออกซิเจนกับออกซิเจนอีก 2 อะตอม ตามกฎออกเตตเขียนแสดงได้ดังนี้จากโครงสร้างลิวอิสทั้งสองนี้แสดงว่าออกซิเจนอะตอมกลางสร้างพันธะเดี่ยวกับออกซิเจนอะตอมหนึ่งและสร้างพันธะคู่กับออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลนี้มีความยาวไม่เท่ากัน แต่จากการศึกษาพบว่าความยาวพันธะระหว่างอะตอมออกซิเจนทั้งสองพันธะมีค่า 128 พิโกเมตรเท่ากัน ซึ่งเป็นค่าความยาวพันธะระหว่างพันธะเดี่ยวกับพันธะคู่ของออกซิเจนกับออกซิเจน (ความยาวพันธะของ O - O และ O = O เท่ากับ 148 และ 121 พิโกเมตรตามลำดับ) แสดงว่าพันธะทั้งสองในโมเลกุลเป็นพันธะชนิดเดียวกัน ดังนั้นโครงสร้างลิวอิส (ก) หรือ (ข) แบบใดแบบหนึ่งที่แสดงไว้ตอนแรกใช้แทนโมเลกุล ไม่ได้ จึงเขียนแทนด้วย โครงสร้างเรโซแนนซ์
การที่พันธะระหว่างออกซิเจนกับออกซิเจนทั้ง 2 พันธะเหมือนกันนั้นเกิดจากการที่อิเล็กตรอน 1 คู่สร้างพันธะโคเวเลนต์ตามปกติและอิเล็กตรอน 1 คู่สร้างพันธะโคเวเลนต์ตามปกติ และอิเล็กตรอนอีก 1 คู่จะเคลื่อนที่ไปมาระหว่างอะตอมทั้งสาม อาจกล่าวได้ว่าออกซิเจนแต่ละคู่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน คู่ และเขียนแทนด้วยโครงสร้างดังต่อไปนี้
2.2.7 รูปร่างของโมเลกุล
การศึกษาในเรื่องความยาวพันธะทำให้ทราบระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่สร้างพันธะในโมเลกุลแต่ความยาวพันธะไม่สามารถบอกลักษณะการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลแบบสามมิติหรือรูปร่างโมเลกุลได้
เพื่อให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างโมเลกุลของโมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมตั้งแต่ 3 อะตอมขึ้นไป ให้ศึกษาการจัดเรียงตัวของลูกโป่งแล้วนำมาอุปมาอุปไมยกับการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลจากการทดอลงต่อไปนี้
การทดลอง 2.3 การจัดตัวของลูกโป่งกับรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์
1. เป่าลูกโป่ง 6 ลูก ให้มีขนาดเท่าๆ กัน ผูกขั้วไว้ให้แน่น
2. ผูกลูกโป่งที่เป่าแล้วเข้าด้วยกัน 2 ลูก สังเกตรูปร่างและทิศทางของลูกโป่งบันทึกผล
3. ผูกลูกโป่งเพิ่มขึ้นเป็น 3 4 5 และ 6 ลูก โดยเพิ่มทีละลูก ตามลำดับ สังเกตรูปร่างและทิศทางบันทึกผล
- ถ้าขั้วลูกโป่งที่ผูกติดกันเป็นอะตอมกลาง และลูกโป่งแทนกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ตำแหน่งของอะตอมที่สร้างพันธะกับอะตอมกลางควรอยู่ส่วนใดของลูกโป่ง
- ถ้าลากเส้นจากปลายลูกโป่งเชื่อมต่อกัน เมื่อผูกลูกโป่ง 2 3 4 5 และ 6 ลูก ตามลำดับ จะได้รูปร่างอย่างไรบ้าง
- ถ้าลากเส้นแสดงพันธะ จากขั้วลูกโป่งซึ่งแทนอะตอมกลางไปยังปลายลูกโป่งซึ่งแทนอะตอมที่สร้างพันธะกับอะตอมกลาง มุมระหว่างพันธะที่เกิดจากลูกโป่งผูกติด 2 3 4 5 และ 6 ลูก ตามลำดับ เป็นเท่าใด
จากผลการทดลองจะพบว่า เมื่อผูกลูกโป่งเข้าด้วยกันลูกโป่งจะเบียดกันเองจนชี้ไปในทิศทางต่างๆ ในลักษณะเช่นเดียวกันกับในโมเลกุลโคเวเลนต์ กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะรอบอะตอมกลางซึ่งมีประจุเหมือนกันจะผลักกันเอง ทำให้อิเล็กตรอนแต่ละคู่อยู่ห่างกันมากที่สุดเพื่อให้โมเลกุลมีพลังงานต่ำที่สุดและเกิดเสถียรภาพสูงสุด ถ้าให้ขั้วลูกโป่งที่พันติดกันแทนตำแหน่งของอะตอมกลาง ลูกโป่งแทนกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ตำแหน่งของอะตอมอื่นที่สร้างพันธะกับอะตอมกลางจะอยู่ตรงปลายของลูกโป่งแต่ละลูก เมื่อลากเส้นระหว่างอะตอมกลางกับอะตอมสร้างพันธะต่อกัน จะช่วยให้มองเห็นทิศทางและมุมระหว่างพันธะรวมทั้งรูปร่างของโมเลกุลได้อย่างชัดเจน
นอกจากนี้เราอาจทำนายรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์โดยใช้แบบจำลองการผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงเวเลนซ์ (Valence Shell Electron Pair Repulsion Model เขียนแบบย่อได้เป็น VSEPR) โดยพิจารณาจากจำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางเฉพาะที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุด ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะเคมีและมีการจัดตัวให้อยู่ห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นได้เพื่อลดแรงผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอน ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้
1. โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
พิจารณาโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอม 2 ชนิด คือ A และB โดยกำหนดให้ A เป็นอะตอมกลาง B เป็นอะตอมที่ล้อมรอบ และโมเลกุลมีสูตทั่วไปเป็น
นักเรียนคิดว่าถ้าจำนวนอะตอมของ B ในสูตรทั่วไป มีค่าแตกต่างกัน จะทำให้โมเลกุลมีรูปร่างแตกต่างกันอย่างไร ศึกษาได้ดังนี้
การศึกษาในเรื่องความยาวพันธะทำให้ทราบระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่สร้างพันธะในโมเลกุลแต่ความยาวพันธะไม่สามารถบอกลักษณะการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลแบบสามมิติหรือรูปร่างโมเลกุลได้
เพื่อให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับรูปร่างโมเลกุลของโมเลกุลที่มีจำนวนอะตอมตั้งแต่ 3 อะตอมขึ้นไป ให้ศึกษาการจัดเรียงตัวของลูกโป่งแล้วนำมาอุปมาอุปไมยกับการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลจากการทดอลงต่อไปนี้
การทดลอง 2.3 การจัดตัวของลูกโป่งกับรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์
1. เป่าลูกโป่ง 6 ลูก ให้มีขนาดเท่าๆ กัน ผูกขั้วไว้ให้แน่น
2. ผูกลูกโป่งที่เป่าแล้วเข้าด้วยกัน 2 ลูก สังเกตรูปร่างและทิศทางของลูกโป่งบันทึกผล
3. ผูกลูกโป่งเพิ่มขึ้นเป็น 3 4 5 และ 6 ลูก โดยเพิ่มทีละลูก ตามลำดับ สังเกตรูปร่างและทิศทางบันทึกผล
- ถ้าขั้วลูกโป่งที่ผูกติดกันเป็นอะตอมกลาง และลูกโป่งแทนกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ตำแหน่งของอะตอมที่สร้างพันธะกับอะตอมกลางควรอยู่ส่วนใดของลูกโป่ง
- ถ้าลากเส้นจากปลายลูกโป่งเชื่อมต่อกัน เมื่อผูกลูกโป่ง 2 3 4 5 และ 6 ลูก ตามลำดับ จะได้รูปร่างอย่างไรบ้าง
- ถ้าลากเส้นแสดงพันธะ จากขั้วลูกโป่งซึ่งแทนอะตอมกลางไปยังปลายลูกโป่งซึ่งแทนอะตอมที่สร้างพันธะกับอะตอมกลาง มุมระหว่างพันธะที่เกิดจากลูกโป่งผูกติด 2 3 4 5 และ 6 ลูก ตามลำดับ เป็นเท่าใด
จากผลการทดลองจะพบว่า เมื่อผูกลูกโป่งเข้าด้วยกันลูกโป่งจะเบียดกันเองจนชี้ไปในทิศทางต่างๆ ในลักษณะเช่นเดียวกันกับในโมเลกุลโคเวเลนต์ กลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะรอบอะตอมกลางซึ่งมีประจุเหมือนกันจะผลักกันเอง ทำให้อิเล็กตรอนแต่ละคู่อยู่ห่างกันมากที่สุดเพื่อให้โมเลกุลมีพลังงานต่ำที่สุดและเกิดเสถียรภาพสูงสุด ถ้าให้ขั้วลูกโป่งที่พันติดกันแทนตำแหน่งของอะตอมกลาง ลูกโป่งแทนกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ตำแหน่งของอะตอมอื่นที่สร้างพันธะกับอะตอมกลางจะอยู่ตรงปลายของลูกโป่งแต่ละลูก เมื่อลากเส้นระหว่างอะตอมกลางกับอะตอมสร้างพันธะต่อกัน จะช่วยให้มองเห็นทิศทางและมุมระหว่างพันธะรวมทั้งรูปร่างของโมเลกุลได้อย่างชัดเจน
นอกจากนี้เราอาจทำนายรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์โดยใช้แบบจำลองการผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงเวเลนซ์ (Valence Shell Electron Pair Repulsion Model เขียนแบบย่อได้เป็น VSEPR) โดยพิจารณาจากจำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางเฉพาะที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุด ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะเคมีและมีการจัดตัวให้อยู่ห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นได้เพื่อลดแรงผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอน ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้
1. โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
พิจารณาโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอม 2 ชนิด คือ A และB โดยกำหนดให้ A เป็นอะตอมกลาง B เป็นอะตอมที่ล้อมรอบ และโมเลกุลมีสูตทั่วไปเป็น
นักเรียนคิดว่าถ้าจำนวนอะตอมของ B ในสูตรทั่วไป มีค่าแตกต่างกัน จะทำให้โมเลกุลมีรูปร่างแตกต่างกันอย่างไร ศึกษาได้ดังนี้
: ตัวอย่างเช่น เบริลเลียมคลอไรด์ มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 2 คู่รอบอะตอมกลาง เพื่อให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนมีค่าน้อยที่สุดแต่ละคู่จึงอยู่ที่ปลายด้านตรงข้ามของแนวเส้นตรงมีมุมระหว่างพันธะ Cl - Be - CI เท่ากับ รูปร่างโมเลกุลแบบนี้เรียกว่า เส้นตรง ดังรูป 2.15 (ก)
: ตัวอย่างเช่น โบรอนไตรฟลูออไรด์ มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 3 คู่รอบอะตอมกลางโครงสร้างของ ที่เสถียรจะมีพันธะ B - F ชี้ไปที่มุมทั้งสามของสามเหลี่ยมด้านเท่าโดยมีอะตอมโบรอนอยู่ตรงกลางของสามเหลี่ยม มีมุมระหว่างพันธะ F - B - F เท่ากับ รูปร่างโมเลกุลแบบนี้เรียกว่า สามเหลี่ยมแบบราบ ดังรูป 2.15 (ข)
: ตัวอย่างเช่น มีเทน มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 4 คู่รอบอะตอมของคาร์บอนซึ่งเป็นอะตอมกลางมุมระหว่างพันธะ H - C - H ทุกมุมเท่ากับ รูปร่างโมเลกุลแบบนี้เรียกว่า ทรงสี่หน้า ดังรูป 2.15 (ค)
: ตัวอย่างเช่น ฟอสฟอรัสเพนตะคลอไรด์ มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 5 คู่รอบอะตอมกลาง เพื่อให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะทั้ง 5 คู่มีค่าน้อยที่สุด จึงจัดเป็นรูปพีระมิดฐานสามเหลี่ยม 2 รูปประกบกัน โดยมีอะตอมฟอสฟอรัสอยู่ตรงกลาง มุมระหว่างพันธะด้านบนหรือพันธะด้านล่างกับพันธะในระนาบสามเหลี่ยมเท่ากับส่วนอะตอมที่อยู่ในระนาบสามเหลี่ยมมีมุมระหว่างพันธะ รูปร่างโมเลกุลแบบนี้เรียกว่า พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม ดังรูป 2.15 (ง)
2. โมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
ในโมเลกุลที่มีทั้งอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว จะมีแรงผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ซึ่งแสดงแนวโน้มได้เป็นดังนี้
ในโมเลกุลที่มีทั้งอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว จะมีแรงผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ซึ่งแสดงแนวโน้มได้เป็นดังนี้
2.2.8 สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์
จากการศึกษาสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวกัน เช่น
พบว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะกระจายอยู่รอบๆ อะตอมทั้งสองเท่ากัน พันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว ดังรูป 2.17 (ก)
แต่ในสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกัน เช่น HCI อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะใช้เวลาอยู่กับอะตอม CI ซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะตอมของ H ทำให้อะตอม CI แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วน H มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก พันธะที่เกิดขึ้นลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว
จากการศึกษาสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมชนิดเดียวกัน เช่น
พบว่าอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะกระจายอยู่รอบๆ อะตอมทั้งสองเท่ากัน พันธะที่เกิดขึ้นในลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว ดังรูป 2.17 (ก)แต่ในสารโคเวเลนต์ที่เกิดจากอะตอมต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีแตกต่างกัน เช่น HCI อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะใช้เวลาอยู่กับอะตอม CI ซึ่งมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าอะตอมของ H ทำให้อะตอม CI แสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างลบ ส่วน H มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะแสดงอำนาจไฟฟ้าค่อนข้างบวก พันธะที่เกิดขึ้นลักษณะเช่นนี้เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว
2.2.9 แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลโคเวเลนต์
สารโคเวเลนต์มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ในสถานะของแข็งอนุภาคของสารจะอยู่ชิดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันสูง แต่ในสถานะของเหลวอนุภาคจะอยู่ห่างกัน แรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อกันน้อยลง และในสถานะแก๊สจะมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันน้อยมาก โมเลกุลของแก๊สจึงอยู่ห่างกัน เมื่อให้ความร้อนแก่สารจนถึงจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด อนุภาคของสารจะมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดออกจากกัน และเกิดการเปลี่ยนสถานะได้จากปริมาณความร้อนที่ใช้เพื่อการเปลี่ยนสถานะของสาร ทำให้เราทราบว่าสารในสถานะของแข็งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าสารชนิดเดียวกันในสถานะของเหลว และสารในสถานะของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าในสถานะแก๊สดังนั้น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจึงเป็นข้อมูลใช้พิจารณาเปรียบเทียบแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารได้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสาร
สารโคเวเลนต์มีทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊สที่อุณหภูมิห้อง ในสถานะของแข็งอนุภาคของสารจะอยู่ชิดกันและมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันสูง แต่ในสถานะของเหลวอนุภาคจะอยู่ห่างกัน แรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อกันน้อยลง และในสถานะแก๊สจะมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกันน้อยมาก โมเลกุลของแก๊สจึงอยู่ห่างกัน เมื่อให้ความร้อนแก่สารจนถึงจุดหลอมเหลวหรือจุดเดือด อนุภาคของสารจะมีพลังงานสูงพอที่จะหลุดออกจากกัน และเกิดการเปลี่ยนสถานะได้จากปริมาณความร้อนที่ใช้เพื่อการเปลี่ยนสถานะของสาร ทำให้เราทราบว่าสารในสถานะของแข็งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าสารชนิดเดียวกันในสถานะของเหลว และสารในสถานะของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงกว่าในสถานะแก๊สดังนั้น จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารจึงเป็นข้อมูลใช้พิจารณาเปรียบเทียบแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารได้จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสาร
2.2.10 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
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 ทำให้แกรไฟต์มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงคาร์บอนอะตอมในโครงผลึกของแกรไฟต์มี 4 เวเลนซ์อิเล็กตรอน แต่ละอะตอมจะสร้างพันธะกับคาร์บอน 3 อะตอมที่อยู่ใกล้เคียงกัน จึงมี 1 อิเล็กตรอนอิสระที่เคลื่อนที่ไปทั่วภายในชั้น ด้วยเหตุนี้แกรไฟต์จึงนำไฟฟ้าได้ดีเฉพาะภายในชั้นเดียวกัน จากการที่คาร์บอนอะตอมในแต่ละชั้นของแกรไฟต์อยู่ห่างกัน 340 พิโกเมตร ซึ่งมีค่ามากกว่าความยาวของพันธะเดี่ยวระหว่างคาร์บอน แสดงว่าคาร์บอนอะตอมระหว่างชั้นไม่ได้สร้างพันธะโคเวเลนต์กัน แต่ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ที่ไม่แข็งแรงเท่ากับพันธะโคเวเลนต์ในชั้นเดียวกัน แกรไฟต์จึงเลื่อนไถลไปตามชั้นได้ง่าย ทำให้มีสมบัติในการหล่อลื่นได้ดี เราจึงใช้แกรไฟต์ทำไส้ดินสอดำและเป็นสารหล่อลื่น นอกจากนี้ยังใช้ทำสีผ้าหมึกสำหรับเครื่องพิมพ์ดีดและเครื่องพิมพ์สำหรับคอมพิวเตอร์ แบบจำลองโครงสร้างของแกรไฟต์เป็นดังรูป
ซิลิคอนไดออกไซด์ หรือซิลิกา
ซิลิคอนไดออกไซด์เป็นผลึกโคเวเลนต์มีโครงสร้างเป็นผลึกร่างตาข่าย อะตอมของซิลิคอนจัดเรียงตัวเหมือนกับคาร์บอนในผลึกเพชร แต่มีออกซิเจนคั่นอยู่ระหว่างอะตอมของซิลิคอนแต่ละคู่ ผลึกซิลิคอนไดออกไซด์จึงมีจุดหลอมเหลวสูงถึง 1730 และมีความแข็งสูง ในธรรมชาติพบซิลิคอนไดออกไซด์ได้หลายรูป เช่น ควอตซ์ ไตรดีไมต์ และคริสโตบาไลต์ ใช้เป็นวัตถุดิบในการทำแก้ว ทำส่วนประกอบของนาฬิกาควอตซ์ ใยแก้วนำแสง (optical fiber) แบบจำลองโครงสร้างของ แสดงได้ดังรูป 
ที่า : http://www.vcharkarn.com
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น