พันธะโคเวเลนต์ เป็นพันธะที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน นำเอาอิเล็กตรอนระดับนอกที่มีจำนวนเท่ากันมาใช้ร่วมกัน (Share) อาจจะเป็น 1 คู่ เกิดพันธะเดี่ยว (Single bond) 2 คู่ เกิดพันธะคู่ (Double bond) หรือ 3 คู่ เกิดพันธะสาม (triple bond) สารประกอบที่เกิดขึ้นจากการเกิดพันธะโคเวเลนต์ เรียกว่า สารประกอบโคเวเลนต์ ในปี ค.ศ. 1916 กิลเบิร์ต ลิวอิส (Gilbert Lewis) ได้เสนอแนวคิดว่า พันธะโคเวเลนต์เป็นเรื่องของการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่าง 2 อะตอมที่เข้าทำปฏิกิริยากัน ขณะเดียวกันก็มีการเปลี่ยนแปลงจำนวนอิเล็กตรอนรอบนอกสุด ให้มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนครบ 8 ตัว แบบแก๊สเฉื่อย ซึ่งเป็นไปตามกฎออกเตต ตัวอย่าง เช่น ฟลูออรีน มีอิเล็กตรอน ระดับนอก 7 ตัว ต้องการอีก 1 ตัว จะครบ 8 เหมือน Ne เมื่อ ฟลูออรีนอะตอม (F2) มารวมกันจะสร้างพันธะโคเวเลนต์ชนิดพันธะเดี่ยวจะได้โมเลกุล F2 มีโครงสร้างลิวอิสดังนี้
เพื่อความสะดวกและชัดเจนจะใช้ขีด (-) สั้น ๆ แทนอิเล็กตรอนหนึ่งคู่ที่ใช้ร่วมกัน จะสังเกต เห็นว่ามีอิเล็กตรอนระดับนอกที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะ เรียกว่า อิเล็กตรอนไม่ร่วมพันธะ (nonbonding electron) หรือ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair electron) ซึ่งใน F2 จะมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่อะตอมละ 3 คู่
ในทำนองเดียวกันออกซิเจนมีอิเล็กตรอนระดับนอก 6 ตัว ต้องการอีก 2 ตัว จะครบ 8 เมื่อออกซิเจน 2 อะตอม มารวมกันจะเกิดเป็นโมเลกุลออกซิเจน (O2) มีโครงสร้างลิวอิส ดังนี้
ไนโตรเจนก็เช่นกันจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่ เกิดเป็นโมเลกุลไนโตรเจน ( N2 ) และมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอะตอมละ 1 คู่ เขียนโครงสร้างลิวอิสได้ดังนี้
กฎออกเตต (Octet rule)
ลิวอิส ได้เสนอกฎออกเตต ซึ่งกฎนี้กล่าวว่า อะตอมต่าง ๆ นอกจากไฮโดรเจนมีแนวโน้มจะสร้างพันธะ เพื่อให้มีอิเล็กตรอนระดับนอกครบแปด อะตอมจะสร้างพันธะโคเวเลนต์ เมื่อมีอิเล็กตรอนระดับนอกไม่ครบ 8 อิเล็กตรอน (เรียกว่า ไม่ครบออกเตต) การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันในพันธะโคเวเลนต์ จะทำให้อะตอมมีอิเล็กตรอนครบออกเตตได้ ยกเว้นไฮโดรเจนจะสร้างพันธะเพื่อให้มีการจัดอิเล็กตรอนระดับนอกเหมือนธาตุฮีเลียม คือ มี 2 อิเล็กตรอน เช่น
กฎออกเตตใช้ได้ดีกับธาตุในคาบที่ 2 ของตารางธาตุ ซึ่งธาตุเหล่านั้นมีอิเล็กตรอนระดับนอกอยู่ใน 2s และ 2p ออร์บิทัล ซึ่งรับอิเล็กตรอนได้ไม่เกิน 8 อิเล็กตรอน
- กรณีโมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอน
- ถมีอิเล็กตรอนระดับนอกได้เกิน 8 ตัว (เพราะจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน n = 3 มีอิเล็กตรอนได้สูดสุด 18 ตัว) จึงทำให้ฟอสฟอรัสและกำมะถัน สามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์ โดยใช้อิเล็กตรอนมากกว่า 8 ตัว ได้ เช่น ฟอสฟอรัสเพนตะคลอไรด์ (PCl5)
- กรณีของโมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนไม่ครบแปดในสารประกอบบางชนิด อะตอมกลางของโมเลกุลที่เสถียรมีอิเล็กตรอนไม่ครบ 8 อิเล็กตรอน เช่น โบรอนไตรฟลูออไรด์ (BF3 )จะเห็นว่าโบรอน (B) มีอิเล็กตรอนเพียง 6 อิเล็กตรอน ซึ่งไม่ครบออกเตต นอกจากนี้โมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนเป็นจำนวนเลขคี่ โมเลกุลบางชนิดมีอิเล็กตรอนล้อมรอบเป็นจำนวนเลขคี่ และไม่ครบออกเตตทุกอะตอม เช่น ไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2)
ไนโตรเจน (N) มีอิเล็กตรอนล้อมรอบไม่ครบ 8 มีเพียง 7 อิเล็กตรอน ในบางกรณี อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันในการสร้างพันธะโคเวเลนต์ไม่ได้มาจากอะตอมสองอะตอม อาจมาจากอะตอมเดียว เช่น โมเลกุลแอมโมเนียรวมกับไฮโดรเจนไอออนได้เป็น แอมโมเนียมไอออน (NH3+H+ NH4+) ซึ่งแอมโมเนียมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 1 คู่ สามารถใช้ร่วมกับไฮโดรเจนไอออนได้ ดังนี้
พันธะโคเวเลนต์ที่เกิดขึ้นใหม่ระหว่าง NH3 กับ H+ เรียกว่า พันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ หรือพันธะเดทีฟ ซึ่งมีสมบัติเหมือนพันธะโคเวเลนต์ธรรมดา เพราะพันธะทั้ง 4 ของ NH4+ มีสมบัติเหมือนกันทุกประการ
ความยาวพันธะและพลังงานพันธะ
ความยาวพันธะ หมายถึง ระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่สร้างพันธะกันซึ่งเป็นค่าที่วัดได้ในหน่วย พิกโคเมตร (pm) และพลังงานพันธะ หมายถึง พลังงานที่ใช้ในการแยกอะตอม ที่ยึดเหนี่ยวกันไว้ด้วยพันธะให้หลุดออกจากกัน วัดได้ในหน่วยกิโลจูลต่อโมล พลังงานพันธะบอกให้ทราบถึงความแข็งแรงของพันธะนั้น พันธะยิ่งแข็งแรงยิ่งต้องการพลังงานมากในการทำลายพันธะ พลังงานพันธะบางครั้งเรียก พลังงานสลายพันธะ ความยาวพันธะและพลังงานพันธะขึ้นอยู่กับปริมาณความหนาแน่นของอิเล็กตรอนระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสอง ถ้าความหนาแน่นอิเล็กตรอนมาก นิวเคลียสทั้งสองจะยึดเหนี่ยวกันไว้อย่างแรง และเข้ามาอยู่ชิดกันมาก ดังนั้นพันธะคู่จะสั้นและแข็งแรงกว่าพันธะเดี่ยวและพันธะสามจะสั้นและแข็งแรงกว่าพันธะคู่
เรโซแนนซ์
เรโซแนนซ์ หมายถึง การใช้โครงสร้างลิวอิสตั้งแต่ 2 โครงสร้างขึ้นไปแทนโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่งที่ไม่สามารถเขียนโครงสร้างที่แท้จริงออกมาเป็นสูตรได้อย่างชัดเจน เช่น เบนซีน จากการทดลองพบว่าพันธะระหว่างคาร์บอนอะตอมในโครงสร้างทั้ง 6 พันธะยาวเท่ากันคือ 140 pm ซึ่งอยู่ระหว่างความยาวของพันธะเดี่ยว c – c เท่ากับ 154 pm และความยาวของพันธะคู่ c = c เท่ากับ 133 pm แสดงว่าโครงสร้างเรโซแนนซ์ที่เขียนขึ้นนี้ไม่ใช่โครงสร้างที่แท้จริงของเบนซีน โครงสร้างที่แท้จริงของเบนซีนเป็นเรโซแนนซ์ไฮบริดของโครงสร้าง
เรโซแนนซ์ทั้งสองที่เขียนดังตัวอย่างต่อไปนี้
รูปร่างของโมเลกุลโคเวเลนต์และทฤษฎี VSERP
รูปร่างของโมเลกุลโคเวเลนต์ เป็นสมบัติที่สำคัญของโมเลกุล เนื่องจากรูปร่างของโมเลกุลจะมีผลต่อสมบัติทางกายภาพ และปฏิกิริยาเคมี เราสามารถทราบสูตรของสารประกอบโคเวเลนต์ได้จากการเขียนโครงสร้างลิวอิส พิจารณาโมเลกุลของน้ำ (H2O) ซึ่งในที่นี้แสดงการเขียนโครงสร้างลิวอิสได้ 6 แบบ ดังนี้
จะเห็นว่าโครงสร้างลิวอิส ไม่สามารถใช้แสดงรูปร่างของโมเลกุลได้ แต่ใช้อธิบายการเกิดพันธะระหว่างอะตอมใน 2 มิติ เช่น โครงสร้างลิวอิสของน้ำ บอกให้ทราบว่า ไฮโดรเจน 2 อะตอม เกิดพันธะโคเวเลนต์ชนิดพันธะเดี่ยวกับออกซิเจน ซึ่งเป็นอะตอมกลางและมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ ถ้าเขียนโครงสร้างลิวอิสของโมเลกุลมีเทน (CH4) พบว่าคู่อิเล็กตรอนทั้ง 4 คู่รอบคาร์บอน ซึ่งเป็นอะตอมกลาง เป็นอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ จึงเขียนให้ทุกอะตอมอยู่ในแนวระนาบเดียวกัน ไม่ได้แสดงรูปร่างที่แท้จริงของโมเลกุล จากการศึกษาพบว่าโมเลกุลของมีเทนมีรูปร่างเป็นทรงสี่หน้า (tetrahedral) ดังภาพ
ภาพที่ 24 โมเลกุลของมีเทน
รูปร่างของโมเลกุลขึ้นกับมุมพันธะ (bond angle) ส่วนขนาดของโมเลกุลขึ้นกับความยาวพันธะ (bond langht) ซึ่งเป็นระยะทางระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่เกิดพันธะกัน ทฤษฎีที่ใช้ทำนายรูปร่างของโมเลกุลโคเวเลนต์คือ ทฤษฎีการผลักกันของคู่อิเล็กตรอนวงนอกสุด (Valence Shell Electron Pair Repulsion) เรียกสั้นๆว่าทฤษฎี VSEPR ทฤษฎีนี้มีสมมุติฐานเกี่ยวกับการเกิดพันธะดังนี้
- อะตอมต่าง ๆ ในโมเลกุล เกิดพันธะกันด้วยคู่อิเล็กตรอนวงนอกสุดโดยอะตอมเกิดพันธะกันด้วยอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ 1 คู่ (พันธะเดี่ยว) หรือมากกว่า
- อะตอมบางอะตอมในโมเลกุล อาจมีอิเล็กตรอนคู่ที่ไม่สร้างพันธะหรืออิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (lone pair)
- อิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ และอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว รอบอะตอมใด ๆในโมเลกุลเป็นกลุ่ม หมอกอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ จึงพยายามอยู่ห่างกันให้มากที่สุดเพื่อให้มีแรงผลักซึ่งกันและกันของคู่อิเล็กตรอนน้อยที่สุดและพลังงานของโมเลกุลมีค่าน้อยที่สุด
- อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวครอบครองที่ว่างมากกว่าอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ โดยที่แรงผลักของอิเล็กตรอนสามารถเรียงลำดับได้ดังนี้ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว – อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว > อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว – อิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ > อิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ – อิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ
- แรงผลักลดลงเมื่อมุมระหว่างอิเล็กตรอนกว้างขึ้น เช่น แรงผลักของคู่อิเล็กตรอนที่ทำมุม 90 องศาจะมากกว่าแรงผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอนที่ทำมุม 120 องศา โมเลกุลที่อะตอมกลางมีคู่อิเล็กตรอน 2 คู่ คู่อิเล็กตรอนทั้งสองจะมีแรงผลักกันน้อยที่สุด เมื่ออยู่ตรงกันข้ามมุมระหว่างคู่อิเล็กตรอนทั้งสองเป็น 180๐ รูปทรงเรขาคณิตของคู่อิเล็กตรอนจึงเป็นเส้นตรง ดังรูป
โมเลกุลที่อะตอมกลางมีคู่อิเล็กตรอน 3 คู่ ดังรูป
โมเลกุลที่อะตอมกลางมีคู่อิเล็กตรอน 4 คู่ ดังรูป
โมเลกุลที่อะตอมกลางมีคู่อิเล็กตรอน 5 คู่ ดังรูป
a = อะตอมคู่สร้างพันธะ
ในแนว axial
e = อะตอมคู่สร้างพันธะ
ในแนว equatorial
โมเลกุลที่อะตอมกลางมีคู่อิเล็กตรอน 6 คู่ ดังรูป
วิธีทำนายรูปร่างของโมเลกุลโดยใช้ทฤษฎี VSEPR
การทำนายรูปร่างของโมเลกุลทำได้ดังต่อไปนี้
- เขียนโครงสร้างลิวอิสของโมเลกุลหรือไอออน โดยให้อะตอมที่สนใจเป็นอะตอมกลางและอะตอมอื่น เกิดพันธะกับอะตอมที่สนใจโดยอาจเป็นพันธะเดี่ยว พันธะคู่หรือพันธะสาม
- นับจำนวนคู่อิเล็กตรอนรอบอะตอมกลาง ทั้งอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ และอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
2.1 อิเล็กตรอนในพันธะคู่หรือพันธะสาม นับเป็นกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน 1 กลุ่ม
2.2 อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว นับเป็นกลุ่มหมอกอิเล็กตรอน 1 กลุ่ม
2.3 สำหรับโมเลกุลหรือไอออนที่มีโครงสร้างเรโซแนนซ์ อาจใช้โครงสร้างเรโซแนนซ์ไฮบริดในการทำนายรูปร่างของโมเลกุล
- ระบุรูปทรงเรขาคณิตของคู่อิเล็กตรอนที่เสถียรที่สุดได้แก่ เส้นตรง สามเหลี่ยมแบนราบ ทรงสี่หน้า พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยมและทรงแปดหน้า
- พิจารณาตำแหน่งของอะตอมตามชนิดของคู่อิเล็กตรอนในโมเลกุล สำหรับการจัดเรียงตัวของคู่อิเล็กตรอนแบบพีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยมและทรงแปดหน้านั้นอาจมีการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวได้มากกว่า 1 แบบ
4.1 พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม ให้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวอยู่ในระนาบของฐานสามเหลี่ยม
4.2 ทรงแปดหน้า ถ้ามีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ ให้อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวแต่ละคู่อยู่คนละด้านของอะตอมกลาง
- ระบุรูปร่างของโมเลกุลตามตำแหน่งของอะตอมไม่ใช้ตามคู่อิเล็กตรอนที่ล้อมรอบอะตอมกลาง
สภาพขั้วของโมเลกุล (Polarity of molecule)
โมเลกุลมีขั้ว (Polar molecule) คือโมเลกุลที่เป็นกลางซึ่งมีการกระจายของอิเล็กตรอนไม่สม่ำเสมอ ทำให้โมเลกุลมีขั้วบวกและขั้วลบ ซึ่งเรียกว่า เป็นขั้วคู่ (dipole) เนื่องจากมีขั้วบวก (ประจุบวกบางส่วน , ) และขั้วลบ (ประจุลบบางส่วน, ) โมเลกุลมีขั้วจะมีการจัดเรียงตัวในสนามไฟฟ้าโดยหันขั้วบวกของโมเลกุลเข้าหาขั้วไฟฟ้าลบ แต่เนื่องจากประจุสุทธิเป็นศูนย์ โมเลกุลมีขั้วจึงไม่เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า ในขณะที่ไอออนต่าง ๆ เช่น Na+ และ Cl– จะเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าได้ ส่วนโมเลกุลไม่มีขั้ว (nonpolar molecule) จะไม่มีการจัดเรียงตัวในสนามไฟฟ้า และไม่เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า
ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ (Valence bond theory)
โครงสร้างลิวอิส และทฤษฎี VSEPR ให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างของโมเลกุลและการกระจายของอิเล็กตรอนในโมเลกุล อย่างไรก็ตามทฤษฎี VSEPR ไม่ได้อธิบายว่าเหตุใดจึงเกิดพันธะ ในปี ค.ศ. 1930 ไลนัส พอลิง (Linus Pauling) และเจ.ซี. สเลเตอร์ (J.C. Slater) ได้เสนอทฤษฎีที่ใช้อธิบายการเกิดพันธะโคเวเลนต์ขึ้นเรียกว่า ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ (valence bond theory) โดยพันธะโคเวเลนต์เกิดขึ้นโดยออร์บิทัลอะตอมวงนอกสุดที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่เพียงตัวเดียวซ้อนเกย (Overlap) กับออร์บิทัลอะตอมวงนอกสุดที่มีอิเล็กตรอนตัวเดียวของอีกอะตอมหนึ่ง และอิเล็กตรอนทั้งสองจะจัดตัวให้มีสปินตรงกันข้ามอยู่ในออร์บิทัลนี้ เช่น ใน H2 พันธะ H-H เกิดจากการซ้อนเกยกันของ 1S ออร์บิทัล ดังรูป
ภาพที่ 25 พันธะ H – H เกิดจากการซ้อนเกยกันของ 1s ออร์บิทัลจากแต่ละไฮโดรเจนอะตอม
ในไฮโดรเจนฟลูออไรด์โมเลกุล HF พันธะเกิดจากการซ้อนกันของ 2p ออร์บิทัลของฟลูออรีนอะตอมกับ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรจนอะตอม ดังรูป
REPORT THIS AD
ภาพที่ 26 พันธะ H – F เกิดจากการซ้อนกันของ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจนอะตอมกับ 2p ออร์บิทัลของฟลูออรีนอะตอม
พันธะที่เกิดขึ้นจากการซ้อนกันของ s ออร์บิทัลกับ s ออร์บิทัลหรือ s ออร์บิทัลกับ p ออร์บิทัล เรียกว่า พันธะซิกมา (σ bond) ซึ่งเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงในแนวแกนระหว่างนิวเคลียส อิเล็กตรอนเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็น “กาว” ยึดนิวเคลียสทั้งสองไว้ด้วยกัน
P ออร์บิทัล 2 ออร์บิทัลอาจซ้อนกันได้ 2 แบบเนื่องจาก p ออร์บิทัลไม่เป็นทรงกลม ถ้า p ออร์บิทัลทั้งสองซ้อนกันตามแนวแกนระหว่างนิวเคลียส จะเกิดพันธะ σ แต่ถ้า p ออร์บิทัลทั้งสองซ้อนกันทางด้านข้างจะเกิดพันธะที่เรียกว่า พันธะพาย (π bond) พันธะ π นี้เป็นพันธะโคเวเลนต์ซึ่งบริเวณที่ซ้อนกันอยู่เหนือและใต้แกนระหว่างนิวเคลียส การซ้อนกันของ P ออร์บิทัลในพันธะ π เกิดขึ้นได้น้อยกว่าการซ้อนกันในพันธะ σ ดังนั้นพันธะπ จะแข็งแรงน้อยกว่าพันธะ σ
ภาพที่ 27 การเกิดพันธะโดยการซ้อนกันของ p ออร์บิทัล 2 ออร์บิทัล (ก) พันธะ σ และ (ข) พันธะ π
พันธะเดี่ยวจะเป็นพันธะ σ เสมอ พันธะคู่ประกอบด้วยพันธะ σ หนึ่งพันธะและพันธะ π หนึ่งพันธะ ส่วนพันธะสามประกอบด้วยพันธะ σ หนึ่งพันธะ และพันธะ π สองพันธะ
ออกซิเจนมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s² 2p4
เนื่องจากออกซิเจนมีอิเล็กตรอนเดี่ยว 2 ตัวใน p ออร์บิทัล จึงสามารถเกิดพันธะกับออกซิเจนอีกอะตอมหนึ่งได้ 2 พันธะ พันธะหนึ่งเกิดจากการซ้อนกันของ p ออร์บิทัลในแนวแกนระหว่างนิวเคลียส เกิดเป็นพันธะ หนึ่งพันธะ อีกหนึ่งพันธะเกิดจากการซ้อนกันของ p ออร์บิทัลทางด้านข้าง เกิดเป็นพันธะ หนึ่งพันธะ พันธะใน O2 จึงเป็นพันธะคู่
ทฤษฎีไฮบริดออร์บิทัล (Hybrid obital theory)
ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์สามารถอธิบายการเกิดพันธะในโมเลกุลอะตอมคู่และโมเลกุลง่าย ๆ ได้ดี อย่างไรก็ตามทฤษฎีดังกล่าวไม่สามารถอธิบายการเกิดพันธะในโมเลกุลอื่นอีกมากมายได้ เช่น มีเทน (CH4) คาร์บอนอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุด 4 ตัว
จึงมี p ออร์บิทัลที่บรรจุอิเล็กตรอนเดียว 2 ออร์บิทัลซึ่งสามารถซ้อนกับ s ออร์บิทัลของไฮโดรเจนเกิดพันธะได้ แต่จากการทดลองพบว่าโมเลกุล CH4 มีรูปร่างเป็นทรงสี่หน้า มุมพันธะเป็น 109.50 โดยมีพันธะ ระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจน 4 อะตอม จำนวน 4 พันธะ ซึ่งทุกพันธะเหมือนกัน การที่จะเกิดพันธะ ตามแนวแกนพันธะได้ คาร์บอนอะตอมจะต้องมีออร์บิทัลที่ชี้ไปยังมุมของทรงสี่หน้า และซ้อนกับ 1s ออร์บิทัลของแต่ละไฮโดรเจนอะตอม อย่างไรก็ตาม นักศึกษาได้ทราบแล้วว่า s และ p ออร์บิทัลไม่ได้มีรูปร่างและการจัดเรียงตัวเป็นมุมดังกล่าว จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะให้ 2s และ 2p ออร์บิทัลของคาร์บอนซ้อนกับ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจนทั้งสี่อะตอม เกิดเป็นพันธะ สี่พันธะที่เหมือนกันและมีรูปร่างเป็นทรงสี่หน้า
ทฤษฎีไฮบริดออร์บิทัล กล่าวว่า “เมื่ออะตอม 2 อะตอมเข้าใกล้กัน อิทธิพลของนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองจะทำให้พฤติกรรมของอิเล็กตรอนในแต่ละอะตอมเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้นออร์บิทัลอะตอมที่เกิดพันธะจะแตกต่างไปจากออร์บิทัลอะตอมในอะตอมเดี่ยว เวเลนซ์ออร์บิทัลที่พลังงานใกล้เคียงกันของอะตอมเดียวกันจะเข้ามารวมกันเกิดเป็นออร์บิทัลอะตอมใหม่ ซึ่งมีรูปร่าง ทิศทาง และพลังงานเปลี่ยนไปจากเดิม” ออร์บิทัลอะตอมที่เกิดขึ้นใหม่นี้ เรียกว่าไฮบริดออร์บิทัลอะตอม (hybrid atomic orbitals) ซึ่งมักเรียกกันสั้น ๆว่า ไฮบริดออร์บิทัล (hybrid orbitals) จำนวนไฮบริดออร์บิทัลที่ได้นี้จะเท่ากับจำนวนออร์บิทัลอะตอมที่มารวมกัน ไฮบริดออร์บิทัลสามารถซ้อนกับออร์บิทัลของอะตอมอื่นได้ดีกว่า และเกิดพันธะที่แข็งแรงกว่าออร์บิทัลอะตอมเดิม กระบวนการที่ออร์บิทัลอะตอมรวมกันเกิดเป็นไฮบริดออร์บิทัล เรียกว่า ไฮบริไดเซชัน (hybridization)
ถ้าใช้ทฤษฎีไฮบริดออร์บิทัล เราจะอธิบายการเกิดพันธะในมีเทนได้ว่า เมื่อไฮโดรเจน 4 อะตอมเข้าใกล้คาร์บอนอะตอม เวเลนซ์ออร์บิทัลของคาร์บอนคือ 2s ออร์บิทัล 1 ออร์บิทัล และ 2p ออร์บิทัล 3 ออร์บิทัล จะรวมกันเป็น sp3 ไฮบริดออร์บิทัล 4 ออร์บิทัลซึ่งมีพลังงานเท่ากันและมีรูปร่างเหมือนกัน โดยแต่ละไฮบริดออร์บิทัลจะมี 2 พู พูหนึ่งมีขนาดใหญ่ อีกพูหนึ่งมีขนาดเล็ก พูใหญ่จะมีความยาวจากนิวเคลียสมากกว่า s และ p ออร์บิทัลที่ทำให้เกิดไฮบริดออร์บิทัลนั้น ทำให้ไฮบริดออร์บิทัลซ้อนกับออร์บิทัลของอะตอมอื่นได้ดีกว่าและเกิดพันธะที่แข็งแรงกว่าออร์บิทัลอะตอมเดิม sp3 ไฮบริดออร์บิทัลทั้งสี่จะจัดเรียงตัวให้อยู่ห่างกันมากที่สุดเพื่อลดแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนตามทฤษฎี VSEPR ดังนั้น sp3 ไฮบริดออร์บิทัลจะจัดเรียงตัวเป็นทรงสี่หน้า มีมุมระหว่างไฮบริดออร์บิทัลเป็น 109.50 จากนั้นคาร์บอนจะใช้ sp3 ไฮบริดออร์บิทัลซ้อนกับ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจนอะตอมเกิดพันธะระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจน 4 พันธะ
ภาพที่ 28 การเกิด sp3 ไฮบริดออร์บิทัล 4 ออร์บิทัล ซึ่งจัดเรียงตัวเป็นทรงสี่หน้า
ภาพที่ 29 การเกิดพันธะ
ระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจนใน CH4 โดยคาร์บอนใช้ sp3ไฮบริดออร์บิทัลซ้อนกับ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจน ทำให้โมเลกุลของ CH4 มีรูปร่างเป็นทรงสี่หน้าไฮบริไดเซชันของ s ออร์บิทัล 1 ออร์บิทัล และ p ออร์บิทัล 1 ออร์บิทัล ทำให้เกิด sp ไฮบริดออร์บิทัลจำนวน 2 ออร์บิทัลซึ่งมีรูปร่างเหมือนกันและมีพลังงานเท่ากัน จัดเรียงตัวเป็นเส้นตรงทำมุม 1800 ซึ่งกันและกัน ดังรูป
ภาพที่ 30 sp ไฮบริไดเซชันและ sp ไฮบริดออร์บิทัล
พิจารณาโมเลกุลของ BeF2 ซึ่งมีโครงสร้างลิวอิสเป็น
จากทฤษฎี VSEPR ทำนายว่าโมเลกุล BeF2 เป็นเส้นตรง ถ้าใช้ทฤษฎีไฮบริดออร์บิทัลอธิบายการเกิดพันธะ รูปร่างของโมเลกุล BeF2 จะเป็นอย่างไร
ฟลูออรีนมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น 1s2 2s2 2p5
โดยมีอิเล็กตรอนเดี่ยว 1 ตัว ใน 2p ออร์บิทัล จึงสามารถเกิดพันธะ σ ได้ 1 พันธะ Be อะตอมมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น 1s2 2s2 การจัดอิเล็กตรอนในออร์บิทัลอะตอมในสภาวะพื้น Be ไม่มีอิเล็กตรอนเดี่ยว จึงไม่น่าจะเกิดพันธะโคเวเลนต์กับ F อะตอมได้ แต่อิเล็กตรอนใน 2s ออร์บิทัลของ Be อะตอมอาจถูกส่งเสริม (promotion) ให้ขึ้นไปอยู่ใน 2p ออร์บิทัลได้ ทำให้ Be มีอิเล็กตรอนเดี่ยว 2 ตัวอยู่ใน 2s และ 2p ออร์บิทัล 2s และ 2p ออร์บิทัลดังกล่าวจะรวมกันเกิด sp ไฮบริดออร์บิทัล 2 ออร์บิทัลซึ่งมีรูปร่างเหมือนกันและมีพลังงานเท่ากัน ทำมุม 180 º ซึ่งกันและกัน จากนั้น sp ไฮบริดออร์บิทัลทั้งสองจะเกิดการซ้อนกับ p ออร์บิทัลของฟลูออรีน เกิดเป็นพันธะ σ สองพันธะ
ภาพที่ 31 แสดงออร์บิทัลอะตอมและการเกิดไฮบริไดเซชันของ Be ใน BeF2
ภาพที่ 32 การเกิดพันธะโคเวเลนต์ใน BeF2
โดยการซ้อนกันของ sp ไฮบริดออร์บิทัลของ Be กับ p ออร์บิทัลของ F
การกระตุ้นให้อิเล็กตรอนคู่แยกกันเป็นอิเล็กตรอนเดี่ยวเพื่อให้เกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมอื่นได้นั้นต้องใช้พลังงาน ยิ่งไปกว่านั้นพลังงานของอิเล็กตรอนในไฮบริดออร์บิทัลก็สูงกว่าพลังงานของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลเดิมในสภาวะปกติ อย่างไรก็ตาม การเกิดพันธะโคเวเลนต์จากการซ้อนกันของไฮบริดออร์บิทัลกับออร์บิทัลของอะตอมอื่นจะทำให้พลังงานลดลงมากกว่าพลังงานที่ใช้ไป พันธะที่เกิดขึ้นจึงเสถียรดังจะเห็นได้จาก Be อะตอมในสภาวะพื้นไม่สามารถเกิดพันธะกับ F ได้ แต่เมื่อเกิดการส่งเสริมและไฮบริไดเซชันแล้วจะสามารถเกิดพันธะได้ 2 พันธะ สภาวะที่เกิดจากการส่งเสริมและไฮบริไดเซชันเป็นสภาวะซึ่งสมมติขึ้นตามทฤษฎี มีพลังงานสูงกว่าสภาวะพื้นของอะตอมและสภาวะที่อะตอมเกิดพันธะซึ่งเป็นสภาวะปกติ สภาวะทั้งสองนี้ช่วยให้เราเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานในการเกิดพันธะได้ดีขึ้น แต่อาจไม่ใช่กลไกของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจริง ไฮบริไดเซชันของ s ออร์บิทัล 1 ออร์บิทัล กับ p ออร์บิทัล 2 ออร์บิทัลของอะตอมกลาง จะทำให้เกิด sp2 ไฮบริดออร์บิทัล 3 ออร์บิทัลที่มีรูปร่างเหมือนกันและมีพลังงานเท่ากัน จัดเรียงตัวเป็นสามเหลี่ยมแบนราบ ทำมุม 1200 ซึ่งกันและกัน ดังภาพ
ภาพที่ 33 sp2 ไฮบริไดเซชันและ sp2 ไฮบริดออร์บิทัล
ในโมเลกุลที่มีรูปร่างเป็นสามเหลี่ยมแบนราบ อะตอมกลางจะมี sp2 ไฮบริดออร์บิทัล เช่น โมเลกุลของ BF3 อิเล็กตรอนจาก 2s ออร์บิทัลของ B อะตอมจะถูกกระตุ้นขึ้นไปอยู่ที่ 2p ออร์บิทัล แล้ว s ออร์บิทัล 1 ออร์บิทัล และ p ออร์บิทัล 2 ออร์บิทัล ซึ่งบรรจุอิเล็กตรอนเดี่ยว เกิดไฮบริไดเซชันเป็น sp2 ไฮบริดออร์บิทัล 3 ออร์บิทัล ทำมุม 1200 ซึ่งกันและกัน sp2 ไฮบริดออร์บิทัลเหล่านี้จะซ้อนกับ p ออร์บิทัลของ F เกิดพันธะ สามพันธะโมเลกุล BF3 จึงมีรูปร่างเป็นสามเหลี่ยมแบนราบ
ภาพที่ 34 แผนภาพแสดงออร์บิทัลอะตอมและการเกิดไฮบริไดเซชั่นของ B ใน BF3
ภาพที่ 35 การเกิดพันธะโคเวเลนต์ในโมเลกุล BF3
โดย sp2 ไฮบริดออร์บิทัลของ B ซ้อนกับ 2p ออร์บิทัลของ F
พิจารณาการเกิดพันธะใน CH4 คาร์บอนอะตอมกลางในสภาวะพื้นจะถูกกระตุ้นให้เวเลนซ์อิเล็กตรอนจาก 2s ออร์บิทัลขึ้นไปอยู่ใน 2p ออร์บิทัลซึ่งมีพลังงานสูงขึ้น จากนั้น 2s ออร์บิทัล 1 ออร์บิทัล และ 2p ออร์บิทัล 3 ออร์บิทัลจะรวมกันเกิดเป็น sp3 ไฮบริดออร์บิทัล จำนวน 4 ออร์บิทัล
ภาพที่ 36 แผนภาพแสดงออร์บิทัลอะตอมและการเกิดไฮบริไดเซชันของ C ใน CH4
sp3 ไฮบริดออร์บิทัลของคาร์บอนอะตอมสามารถซ้อนกับ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจนอะตอม เกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ โดยรูปร่างของโมเลกุล CH4 เป็นทรงสี่หน้า ในโมเลกุลของ BeF2, BF3 และ CH4 อะตอมของ Be, B และ C สามารถใช้ไฮบริดออร์บิทัลที่บรรจุอิเล็กตรอนเดี่ยว ซ้อนกับออร์บิทัลของอะตอมอื่นเกิดเป็นพันธะ อย่างไรก็ตาม ไฮบริดออร์บิทัลอาจมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ 2 ตัวก็ได้ ในกรณีเช่นนี้อะตอมจะไม่สามารถใช้ไฮบริดออร์บิทัลนั้นสร้างพันธะกับอะตอมอื่น เนื่องจากตามหลักการกีดกันของพาวลี แต่ละออร์บิทัลบรรจุอิเล็กตรอนได้เพียง 2 ตัวเท่านั้น เราจึงเรียกอิเล็กตรอนในไฮบริดออร์บิทัลดังกล่าวว่า “อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว” ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของ NH3 และ H2O ซึ่งมีรูปทรงเรขาคณิตของคู่อิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางเป็นทรงสี่หน้าดังนั้นออร์บิทัลอะตอมจึงเกิดไฮบริไดเซชันให้ sp3 ไฮบริดออร์บิทัล 4 ออร์บิทัล NH3 โมเลกุล sp3 ไฮบริดออร์บิทัลของไนโตรเจนอะตอม 3 ออร์บิทัลบรรจุอิเล็กตรอนเดี่ยว จึงสามารถเกิดพันธะ σ สามพันธะกับไฮโดรเจน 3 อะตอม ส่วนอีกหนึ่งออร์บิทัลบรรจุคู่อิเล็กตรอนที่ไม่สร้างพันธะหรืออิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
ภาพที่ 37 ไฮบริดไดเซชันของไนโตรเจนในโมเลกุลของแอมโมเนีย ( NH3 )
ทฤษฎี VSEPR ทำนายได้ว่ารูปทรงเรขาคณิตของคู่อิเล็กตรอนเป็นทรงสี่หน้า โดยมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหนึ่งคู่ ระบุชนิดของไฮบริดออร์บิทัลที่มีการจัดเรียงตัวสอดคล้องกับรูปทรงเรขาคณิตของคู่อิเล็กตรอน การที่คู่อิเล็กตรอนจัดเรียงตัวเป็นทรงสี่หน้า แสดงให้เห็นว่ามีออร์บิทัลที่มีรูปร่างและพลังงานเหมือนกัน 4 ออร์บิทัล นั่นคือ N อะตอมเกิด ไฮบริดออร์บิทัลใน H2O โมเลกุล sp3 ไฮบริดออร์บิทัลของออกซิเจนอะตอม 2 ออร์บิทัลบรรจุอิเล็กตรอนเดี่ยว จึงเกิดพันธะ สองพันธะกับไฮโดรเจน 2 อะตอม ส่วนอีก 2 ออร์บิทัลบรรจุอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
ภาพที่ 38 ไฮบริไดเซชันของออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำ (H2O)
อะตอมในคาบที่ 3 ขึ้นไป สามารถใช้ d ออร์บิทัลในการเกิดไฮบริดออร์บิทัลได้ ไฮบริดออร์บิทัลที่เกี่ยวข้องกับ d ออร์บิทัลที่สำคัญที่สุดคือ sp3d และ sp3d2ไฮบริดออร์บิทัล จะเห็นว่า ไฮบริดออร์บิทัล ชี้ไปยังมุมของพีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม และ sp3d2 ไฮบริดออร์บิทัลชี้ไปยังมุมของทรงแปดหน้า
ภาพที่ 39 รูปร่างของ sp3 d และ sp3 d2 ไฮบริดออร์บิทัล
ตารางที่ 3 แสดงลักษณะเฉพาะในการจัดเรียงตัวเป็นรูปทรงเรขาคณิตของไฮบริดออร์บิทัล
ไฮบริไดเซชันในโมเลกุลที่มีพันธะคู่และพันธะสาม
สำหรับโมเลกุลที่อะตอมกลางเกิดพันธะคู่และพันธะสาม ไฮบริดออร์บิทัลจะบรรจุอิเล็กตรอนคู่สร้างพันธะ σ ในพันธะเดี่ยว π พันธะคู่หรือพันธะสาม และอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเท่านั้น ส่วนอิเล็กตรอนที่ใช้ในการสร้างพันธะในพันธะคู่หรือพันธะสามนั้นจะบรรจุในออร์บิทัลอะตอมที่ไม่ได้เกิดไฮบริไดเซชัน
พิจารณาการเกิดพันธะในเอทีน (ethene) หรือเอทิลีน (ethylene) ซึ่งมีสูตรเป็น C2H4 และโครงสร้างลิวอิสเป็นดังนี้
รอบคาร์บอนแต่ละอะตอม โมเลกุลจะมีรูปร่างเป็นสามเหลี่ยมแบนราบโดยมีมุมพันธะเป็น sp2 ดังนั้นทุกอะตอมในโมเลกุลจึงอยู่ในระนาบเดียวกัน จากโครงสร้างโมเลกุลแสดงว่าแต่ละคาร์บอนอะตอมใช้ sp2 ไฮบริดออร์บิทัลในการเกิดพันธะสอง σ พันธะกับไฮโดรเจน 2 อะตอม และเกิดพันธะ σ หนึ่งพันธะกับคาร์บอนอีกอะตอมหนึ่ง
จากแผนภาพแสดงออร์บิทัลอะตอมและการเกิด sp2 ไฮบริไดเซชัน อาจเขียนโครงสร้างอิเล็กตรอนของคาร์บอนโดยพิจารณาเวเลนซ์ออร์บิทัลได้ดังนี้
จะเห็นว่าคาร์บอนยังมีอิเล็กตรอนเดี่ยวใน 2 p ออร์บิทัล ที่ไม่เกิดไฮบริไดเซชัน p ออร์บิทัลนี้มีทิศทางตั้งฉากกับระนาบสามเหลี่ยมแบนราบของ sp2 ไฮบริดออร์บิทัล จึงสามารถซ้อนกันทางด้านข้างเกิดพันธะ π ได้
ภาพที่ 40 แผนภาพแสดงออร์บิทัลอะตอมและการเกิดไฮบริไดเซชันของ C ใน เอทีน หรือ เอทิลีน (C2H4 )
ภาพที่ 41 การซ้อนกันของ p ออร์บิทัลที่ไม่เกิดไฮบริไดเซชัน เกิดเป็นพันธะ π
จากรูปการเกิดพันธะคู่ระหว่างคาร์บอน-คาร์บอน ในเอทีน หรือ เอทิลีน (C2H4) พิจารณาโมเลกุลของเอไทน์ (ethyne) หรืออะเซทิลีน (acethylene, (C2H2 ) ซึ่งเป็นแก๊สที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเชื่อมโลหะ
โมเลกุลของเอไทน์เป็นเส้นตรง แต่ละคาร์บอนต้องใช้ sp ไฮบริดออร์บิทัลในการเกิดพันธะ กับคาร์บอนอีกอะตอมหนึ่ง และกับไฮโดรเจน จากโครงสร้างอิเล็กตรอนของคาร์บอนเมื่อเกิด sp ไฮบริไดเซชัน
จะเห็นว่าแต่ละคาร์บอนอะตอมจะมีอิเล็กตรอนเดี่ยวอีก 2 อิเล็กตรอนอยู่ใน p ออร์บิทัลที่ไม่ได้ไฮบริไดซ์ทั้งสองออร์บิทัล ซึ่งอยู่ในแนวตั้งฉากกับ sp ไฮบริดออร์บิทัล p ออร์บิทัลทั้งสองจึงสามารถซ้อนกัน เกิดเป็นพันธะสองพันธะ ดังนั้น พันธะสามจึงประกอบด้วยพันธะ หนึ่งพันธะ σ และพันธะ π สองพันธะ
ภาพที่ 42 การเกิดพันธะสามระหว่างคาร์บอน-คาร์บอน ในเอไทน์หรืออะเซทิลีน (C2H2)
เนื่องจากพันธะ π แข็งแรงน้อยกว่าพันธะ σ ดังนั้นพันธะสามจะแข็งแรงกว่า (ความยาวพันธะน้อยกว่า) พันธะคู่ แต่แข็งแรงกว่า C – C ไม่ถึงสามเท่า ลักษณะที่สำคัญอีกประการหนึ่งของพันธะคู่และพันธะสาม คือการหมุนบิดโมเลกุลรอบแกนของพันธะคู่หรือพันธะสามไม่สามารถเกิดขึ้นได้ เช่น ใน C2H4 ถ้าเราหมุน C อะตอม รอบพันธะ (c = c) p ออร์บิทัลที่ไม่เกิดไฮบริไดเซชันบนคาร์บอนนั้นจะมีทิศทางเปลี่ยนไป ไม่อยู่ในแนวขนานกับ p ออร์บิทัลที่ไม่เกิดไฮบริดไดเซชันบนคาร์บอนอีกอะตอมหนึ่งจึงไม่สามารถซ้อนกันได้อย่างมีประสิทธิผล ดังนั้นการหมุนบิดโมเลกุลรอบพันธะคู่หรือพันธะสาม จึงทำให้เกิดการสลายพันธะ π ซึ่งต้องใช้พลังงานสูงกว่าพลังงานของโมเลกุลที่สภาวะปกติ เป็นเหตุให้การหมุนบิดรอบแกนของพันธะคู่หรือพันธะสามไม่เกิดขึ้น
ภาพที่ 43 การหมุนบิดโมเลกุลรอบพันธะคู่ของคาร์บอน-คาร์บอน (C = C)
พิจารณาการเกิดพันธะในฟอร์แมลดีไฮด์ ซึ่งมีพันธะเดี่ยว C-H สองพันธะ พันธะคู่ (C = O) หนึ่งพันธะ รูปทรงเรขาคณิตของคู่อิเล็กตรอนในฟอร์แมลดีไฮด์ (H2CO) เป็นสามเหลี่ยมแบนราบ แสดงว่าคาร์บอนอะตอมเกิด sp2 ไฮบริดออร์บิทัล 3 ออร์บิทัลสำหรับสร้างพันธะ σ สามพันธะ โดยที่ sp2 ไฮบริดออร์บิทัล 2 ออร์บิทัลจะเกิดพันธะ σ กับ 1s ออร์บิทัลของไฮโดรเจน 2 อะตอม ส่วน sp2 ไฮบริดออร์บิทัลอีกออร์บิทัลหนึ่งจะซ้อนกับ sp2 ไฮบริดออร์บิทัลที่บรรจุอิเล็กตรอนเดี่ยวของออกซิเจน (โครงสร้างอิเล็กตรอนของออกซิเจนคือ 2s2 2px1 2py1 2pz1 จึงเกิด sp2 ไฮบริดออร์บิทัล และมี p ออร์บิทัลที่ไม่เกิดไฮบริไดเซชันอีก 1 ออร์บิทัล) ในแนวแกนระหว่างนิวเคลียสของคาร์บอนและออกซิเจนอะตอม จึงเกิดเป็นพันธะ σ นอกจากนี้ p ออร์บิทัลที่ไม่เกิดไฮบริไดเซชันของคาร์บอนอะตอมซึ่งอยู่ในแนวตั้งฉากกับระนาบสามเหลี่ยมแบนราบ และอยู่ในแนวขนานกับ p ออร์บิทัลที่ไม่ได้เกิดไฮบริไดเซชันของออกซิเจนซึ่งมีอเล็กตรอนเดี่ยวบรรจุอยู่ จะสามารถซ้อนกันได้ทางด้านข้าง เกิดเป็นพันธะ ดังนั้นจึงเกิดพันธะคู่ระหว่างคาร์บอนและออกซิเจนซึ่งประกอบด้วยพันธะ σ และพันธะ π อย่างละ 1 พันธะ
ภาพที่ 44 ฟอร์แมลดีไฮด์ (H2CO)
ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล (Molecular orbital theory : MO theory)
ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์และทฤษฎีไฮบริดออร์บิทัลอธิบายว่า พันธะโคเวเลนต์ในโมเลกุลเกิดจากการซ้อนกันของออร์บิทัลอะตอมหรือไฮบริดออร์บิทัล อิเล็กตรอนในโมเลกุลจึงอยู่ในออร์บิทัลอะตอมหรือไฮบริดออร์บิทัลของแต่ละอะตอม เช่น ใน CH4 โมเลกุล พันธะเกิดจาก 1s ออร์บิทัลของ H อะตอมและ sp3 4 ออร์บิทัล ของ C อะตอม อย่างไรก็ดี ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ และทฤษฎีไฮบริดออร์บิทัลไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมและสมบัติแม่เหล็กของโมเลกุลได้ เช่น ออกซิเจน (O2) มีสมบัติเป็นพาราแมกเนติก (paramagnetic) ซึ่งจะถูกดึงดูดในสนามแม่เหล็กเหนื่องจากมีอิเล็กตรอนเดี่ยว แต่ออกซิเจนอะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 6 ตัวซึ่งเป็นเลขคู่ ตามทฤษฎีพันธะเวเลนซ์จะทำนายได้ว่าอิเล็กตรอนทั้งหมดในโมเลกุลจะอยู่เป็นคู่ ซึ่งไม่สอดคล้องกับสมบัติพาราแมกเนติก ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล มีสมมติฐานเกี่ยวกับการเกิดพันธะ ดังนี้
- เมื่ออะตอมเข้าใกล้กัน ออร์บิทัลอะตอมของอิเล็กตรอนวงนอกสุดจะรวมกันเกิดเป็นออร์บิทัลโมเลกุล (molecular orbital : MO) ซึ่งแสดงลักษณะเฉพาะของทั้งโมเลกุล ไม่ได้เป็นของอะตอมใดอะตอมหนึ่งในโมเลกุล โดยจำนวนออร์บิทัลโมเลกุลที่เกิดขึ้นเท่ากับจำนวนออร์บิทัลอะตอมที่มารวมกัน เช่น เมื่อไฮโดรเจน 2 อะตอมรวมกันเกิดเป็น H2 โมเลกุล 1s ออร์บิทัลจาก H อะตอมทั้งสองจะรวมกันเกิดเป็นออร์บิทัลโมเลกุล 2 ออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานไม่เท่ากัน
- ออร์บิทัลโมเลกุลจะจัดเรียงตัวตามลำดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น พลังงานสัมพัทธ์ ของออร์บิทัลโมเลกุลเหล่านี้ สรุปได้จากการทดลองเกี่ยวกับสเปกตรัมและสมบัติแม่เหล็กของโมเลกุล
- เวเลนซ์อิเล็กตรอนในโมเลกุล จะบรรจุอยู่ในออร์บิทัลโมเลกุล โดยแต่ละออร์บิทัลโมเลกุลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูดสุด 2 ตัว ตามหลักการกีดกันของพาวลี และอิเล็กตรอนจะบรรจุอยู่ในออร์บิทัลโมเลกุลที่มีพลังงานต่ำสุดจนเต็มก่อน แล้วจึงบรรจุในออร์บิทัลโมเลกุลที่มีพลังงานสูงขึ้นตามลำดับ และการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลโมเลกุลเป็นไปตามกฎของฮุนด์ เช่น เมื่อมีออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันว่างอยู่ อิเล็กตรอนจะบรรจุในออร์บิทัลเหล่านี้ออร์บิทัลละ 1 ตัวก่อน ทำให้เกิดออร์บิทัลที่บรรจุอิเล็กตรอนเดี่ยว เพื่อที่จะให้เข้าใจทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล ให้พิจารณาโมเลกุลอะตอมคู่ของธาตุในคาบที่ 1 ในตารางธาตุ เช่น การเกิดพันธะในโมเลกุลไฮโดรเจนและฮีเลียม การรวม 1s ออร์บิทัล เมื่ออะตอมของธาตุในคาบที่ 1 ของตารางธาตุเข้าใกล้กัน 1s ออร์บิทัลจากอะตอมทั้งสองจะรวมกันเกิดเป็นออร์บิทัลโมเลกุล 2 ออร์บิทัล ออร์บิทัลโมเลกุลออร์บิทัลหนึ่งจะมีพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัลอะตอม การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลนี้จะทำให้โมเลกุลเสถียรกว่าอะตอมที่แยกกันอยู่ ดังนั้นจึงเรียกออร์บิทัลโมเลกุลที่มีพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัลอะตอมว่า ออร์บิทัลโมเลกุลที่สร้างพันธะ (bonding molecular orbital) ส่วนออร์บิทัลโมเลกุลอีกออร์บิทัลหนึ่งจะมีพลังงานสูงกว่าออร์บิทัลอะตอม การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลนี้จึงทำให้โมเลกุลมีพลังงานเพิ่มขึ้นและไม่เสถียร จึงเรียกออร์บิทัลโมเลกุลนี้ว่า ออร์บิทัลที่ต้านการสร้างพันธะ (antibonding molecular orbital)
ภาพที่ 45 การสร้างออร์บิทัลโมเลกุลจาก 1s ออร์บิทัลโมเลกุลจาก 1s ออร์บิทัลอะตอมของไฮโดรเจนอะตอม
ในออร์บิทัลโมเลกุลที่สร้างพันธะมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงในบริเวณที่อยู่ระหว่างนิวเคลียสทั้งสอง จึงทำให้ระดับพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัลอะตอม ส่วนในออร์บิทัลโมเลกุลที่ต้านการสร้างพันธะ โอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณที่อยู่ระหว่างนิวเคลียสทั้งสองมีน้อย อิเล็กตรอนจะมีความหนาแน่นมากในบริเวณด้านนอกของโมเลกุล ออร์บิทัลที่ต้านการสร้างพันธะจึงมีพลังงานสูงกว่าออร์บิทัลอะตอม ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลโมเลกุลที่สร้างพันธะและออร์บิทัลโมเลกุลที่ต้านการสร้างพันธะจะสมมาตรรอบแกนระหว่างนิวเคลียสทั้งสอง ซึ่งหมายความว่าออร์บิทัลทั้งสองเป็นออร์บิทัลโมเลกุลชนิดซิกมา (sigma molecular orbital) ซึ่งใช้สัญลักษณ์ σ เครื่องหมาย * ใช้แสดงว่าเป็นออร์บิทัลที่ต้านการสร้างพันธะ และตัวอักษรด้านล่างขวาแสดงออร์บิทัลอะตอมที่ทำให้เกิดออร์บิทัลโมเลกุลนั้น ๆ เช่น ออร์บิทัลโมเลกุลที่สร้างพันธะซึ่งเกิดจากการรวมกันของ 1s ออร์บิทัลจะมีสัญลักษณ์เป็น σ 1s และออร์บิทัลโมเลกุลที่ต้านการสร้างพันธะจะมีสัญลักษณ์เป็น σ* 1s
ใน H2 โมเลกุลมีอิเล็กตรอน 2 ตัว อิเล็กตรอนทั้งสองจะบรรจุใน σ1s ออร์บิทัลซึ่งมีพลังงานต่ำกว่าก่อน
ภาพที่ 46 แผนภาพระดับพลังงานของออร์บิทัลโมเลกุล H2
เนื่องจากแต่ละ H อะตอมมีอิเล็กตรอน 1 ตัวใน 1s ออร์บิทัล ดังนั้น H2 จึงมีอิเล็กตรอน 2 ตัว อิเล็กตรอนทั้งสองจะบรรจุใน σ 1s ออร์บิทัลซึ่งมีพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัลอะตอมในอะตอมเดี่ยว H2 โมเลกุลจึงเสถียรกว่า H สองอะตอมที่แยกกันอยู่
ฮีเลียม (He) แต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอน 2 ตัวอยู่ใน 1s ออร์บิทัล เมื่อ He สองอะตอมเข้าใกล้กัน 1s ออร์บิทัลจะรวมกันเป็นออร์บิทัลโมเลกุล σ 1s และ σ* 1s อิเล็กตรอนใน He2 โมเลกุลจะบรรจุในออร์บิทัลที่สร้างพันธะ 2 ตัว และออร์บิทัลที่ต้านการสร้างพันธะ 2 ตัว เนื่องจาพลังงานที่ลดลงจากอิเล็กตรอนที่สร้างพันธะ
ภาพที่ 47 แผนภาพระดับพลังงานของออร์บิทัลโมเลกุลของ He2
การเกิดพันธะในโมเลกุลอะตอมคู่ของธาตุในคาบที่ 2 : การรวม 2s และ 2p ออร์บิทัล
ธาตุเรพรีเซนเททิฟในคาบที่ 2 ของตารางธาตุมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนบรรจุใน 2s, 2px, 2py และ 2pzออร์บิทัลเมื่ออะตอมของธาตุในคาบที่ 2 เกิดพันธะกันเป็นโมเลกุลอะตอมคู่ ออร์บิทัลอะตอมที่บรรจุเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะรวมกันเกิดเป็นออร์บิทัลโมเลกุลอย่างไร
การรวม 2s ออร์บิทัลจากแต่ละอะตอมจะให้ออร์บิทัลโมเลกุล 2 ออร์บิทัล คือ และ ซึ่งมีรูปร่างเหมือน และ ตามลำดับ
ในอะตอมเดี่ยวของธาตุในคาบที่ 2 จะมี p ออร์บิทัล 3 ออร์บิทัลคือ 2px , 2py และ 2pz ซึ่งมีทิศทางตั้งฉากซึ่งกันและกัน กำหนดให้แกนระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่เกิดพันธะกันคือแกน z เมื่อ 2pz ออร์บิทัลจากแต่ละอะตอมรวมกันตามแนวแกนระหว่างนิวเคลียส จะเกิดเป็นออร์บิทัลโมเลกุลที่สมมาตรรอบแกน z นั่นคือ เป็นออร์บิทัลโมเลกุลชนิดซิกมา 2 ออร์บิทัล ออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำกว่าจะมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงในบริเวณที่อยู่ระหว่างนิวเคลียส เรียกว่า ออร์บิทัลโมเลกุลชนิดซิกมาที่สร้างพันธะ ส่วนออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงกว่าจะมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะสูงในบริเวณที่ห่างจากนิวเคลียส เรียกว่า ออร์บิทัลโมเลกุลชนิดซิกมาที่ต้านการสร้างพันธะดังภาพ
ภาพที่ 48 ออร์บิทัลโมเลกุลที่เกิดจากการรวมออร์บิทัลอะตอม (ก) 2pz (ข) 2px หรือ 2py
ออร์บิทัลอะตอม 2px หรือ 2py ซึ่งตั้งฉากกับ 2pz จะรวมกับออร์บิทัลอะตอม 2px หรือ 2py จากอีกอะตอมหนึ่งในลักษณะที่แตกต่างจาก 2pz ออร์บิทัล ดังรูป (ข) โดยจะเกิดการรวมกันทางด้านข้างทำให้เกิดออร์บิทัลโมเลกุล 2 ออร์บิทัล ซึ่งความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลไม่สมมาตรรอบแกนระหว่างนิวเคลียส ซึ่งเป็นลักษณะของออร์บิทัลโมเลกุลชนิดพาย π (pi molecular orbital, ) ออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงกว่าคือออร์บิทัลที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงในบริเวณที่ห่างจากนิวเคลียส เรียกว่า ออร์บิทัลโมเลกุลชนิดพายที่ต้านการสร้างพันธะ หรือ ออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำกว่าคือออร์บิทัลที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงในบริเวณที่อยู่ระหว่างนิวเคลียส เรียกว่า ออร์บิทัลโมเลกุลชนิดพายที่สร้างพันธะ หรือ พลังงานสัมพัทธ์ของออร์บิทัลโมเลกุลในโมเลกุลอะตอมคู่ของธาตุเรพรีเซนเททิฟในคาบที่ 2 โปรดสังเกตว่าจาก Li2 ถึง N2 พลังงานของ และ ออร์บิทัลจะต่ำกว่าพลังงานของ ออร์บิทัลและตั้งแต่ O2 ถึง Ne2 พลังงานของ ออร์บิทัลจะต่ำกว่าพลังงานของ และ ออร์บิทัล
(ก) Li2 ถึง N2 (ข) O2 ถึง Ne2
จากแผนภาพระดับพลังงานของออร์บิทัลโมเลกุล เราสามารถเขียนโครงสร้างอิเล็กตรอนในออร์บิทัลโมเลกุล ( MO electron configuration ) ของโมเลกุลอะตอมคู่ของธาตุเรพรีเซนเททิฟในคาบที่ 2 ได้ โดยบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลโมเลกุลตามลำดับพลังงานจากต่ำไปสูง เช่น โครงสร้างอิเล็กตรอนของ F2 เขียนได้ดังนี้
สารประกอบโคเวเลนต์
สารประกอบโคเวเลนต์ มีสมบัติดังนี้
- มีจุดเดือด จุดหลอมเหลวต่ำ เนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมีค่าน้อย
- ไม่นำไฟฟ้าทั้งสภาพแก๊ส ของเหลว และของแข็ง
- ไม่ละลายในตัวทำละลายมีขั้ว เช่น น้ำ แต่ละลายในตัวทำละลายไม่มีขั้ว เช่น เบนซิน
- ปฏิกิริยาของสารประกอบโคเวเลนต์ เป็นปฏิกิริยาที่เกิดช้าเพราะต้องทำลายพันธะเดิมก่อนแล้วเกิดพันธะใหม่ การปะทะกันระหว่างโมเลกุลจะเกิดปฏิกิริยาเมื่อได้รับพลังงานเพียงพอมีสารโคเวเลนต์บางชนิดที่ไม่มีโมเลกุล ปกติมีสถานะเป็นของแข็ง ภายในโครงสร้างประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เป็นโครงสร้างสามมิติขนาดใหญ่ ได้แก่ เพชร (C) ซิลิคอน (Si) ซิลิคอน
คาร์ไบด์ (SiC) เป็นต้น ซึ่งเพชรประกอบด้วยอะตอมคาร์บอนต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์มีโครงสร้างแบบทรงสี่หน้าต่อกันไปเป็นโครงสร้างที่ยึดกันแน่นเป็นของแข็งที่แข็งมาก มีจุดเดือด จุดหลอมเหลวสูงถึง 3,500 องศาเซลเซียส ไม่นำไฟฟ้า นอกจากนี้ยังพบว่า คาร์บอนมีโมเลกุลที่เสถียรมากอีกแบบหนึ่งคือ มีโครงสร้างประกอบด้วยคาร์บอน 60 อะตอม แต่ละอะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์ด้วย sp2 ไฮบริดออร์บิทัล นักเคมีเรียกโครงสร้างแบบนี้ว่าบัคมินสเตอร์ฟุลเลอรีน (Buckminsterfullerene) นิยมเรียกสั้น ๆ ว่า บัคกีบอล (Buckyball)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น