โครงสร้างโมเลกุล

รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ (Shape of covalent molecules)

                พันธะโคเวเลนต์เป็นพันธะที่มีทิศทางและมุมระหว่างพันธะที่แน่นอน  เนื่องจากการสร้างพันธะเกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างอะตอมที่สร้างพะนธะกัน  โดยอาจมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้ใช้ในการสร้างพันธะหรือที่เรียกว่าอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวเหลืออยู่ด้วยก็ได้    ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กตรอนที่สร้างพันธะหรืออิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ต่างก็มีประจุลบเหมือนกัน  จึงมีแรงผลัก (repulsion)  ซึ่งกันและกัน  ผลของแรงผลักจะทำให้พันธะแยกตัวอยู่ในตำแหน่งที่สมดุลระหว่างแรงผลักที่มีต่อกัน  ทำให้เกิดขนาดของมุมระหว่างพันธะที่เหมาะสมและเกิดเป็นรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลขึ้นมาได้  รูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลจะเป็นอย่างไร ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของสารแต่ละชนิด  ว่าประกอบด้วยอะตอมจำนวนเท่าไร  มีการสร้างพันธะอย่างไร  และมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหรือไม่ 
             ถ้าโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมเพียง  2  อะตอม  จะมีรูปร่างเป็นเส้นตรง (Linear)  เสมอ  เช่น  H2  F2  Cl2  Br2  I2  N2  O2 HCl  HBr  HI  ... แต่ถ้าโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมมากกว่า  2  อะตอม  รูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลจะเป็นไปได้หลายแบบ    การพิจารณาว่ารูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลเป็นอย่างไร  ให้เริ่มพิจารณาที่อะตอมกลางของโมเลกุล    โดยมีหลักการสำคัญดังต่อไปนี้

                1.  พิจารณาว่ามีพันธะรอบอะตอมกลางกี่พันธะ  (พันธะเดี่ยว  พันธะคู่  หรือพันธะสาม  นับเป็น  1  พันธะเท่ากัน)
                2.  พิจารณาว่ามีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหรือไม่  ถ้ามีต้องดูว่ามีกี่คู่ 
                3.  นำโครงสร้างโมเลกุลที่ได้จากข้อ  1  และ  2  ใช้ร่วมกับทฤษฎีการผลักของคู่อิเล็กตรอน ( VSEPR ) เพื่อบอกรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล

            ทฤษฎีการผลักของคู่อิเล็กตรอน (Valence Shell Electron Pair Repulsion  , VSEPR)   คิดค้นขึ้นโดย โรนัลด์ กิลเลสพาย และ เซอร์โรนัลด์ ซิดนีย์ ไนโฮล์ม เมื่อ พ.ศ. 2500 ใช้สำหรับทำนายรูปร่างหรือรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุลโคเวเลนต์   โดยดูจากจำนวนพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (Stearic number)  รอบอะตอมกลาง   จากสูตรโครงสร้างแบบลิวอิส  แล้วจำลองให้เป็นรูปทรงสามมิติ   โดยมีหลักการว่าอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลาง    ทั้งอิเล็กตรอนที่สร้างพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว  จะมีแรงผลักซึ่งกันและกันทำให้อยู่ห่างกันที่สุดเท่าที่จะทำได้   ทำให้มีมุมระหว่างพันธะที่เหมาะสม  จึงเกิดเป็นรูปทรงเรขาคณิตแบบต่าง ๆ ขึ้นมาได้

กำหนดสัญลักษณ์ ของโครงสร้างโมเลกุลตามทฤษฎี  VSEPR  ด้วยสูตร    AXE  (หรืออาจใช้ตัวอักษรอื่น  เช่น  ABE แต่ความหมายเดียวกัน)  ฉะนั้นเมื่อกล่าวว่าให้เขียนสัญลักษณ์  VSEPR   จึงหมายถึงให้เขียนสูตร  AXE  ว่าเป็นแบบใด  ตัวอักษรในสูตรมีความหมายดังนี้

A  =  อะตอมกลางของโมเลกุล

X  =  จำนวนพันธะรอบอะตอมกลาง (พันธะเดี่ยว  พันธะคู่  พันธะสาม  นับเป็น  1  พันธะเหมือนกัน)

E  =  จำนวนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมกลาง (นับเป็นคู่ ๆ)

ตัวอย่าง  สารที่มีโครงสร้างโมเลกุลดังนี้

เมื่อแสดง  VSEPR  ด้วยสูตร  AXE  ความหมายของตัวอักษรแต่ละตัวจะเป็นดังนี้

                A  หมายถึงอะตอมกลางของโมเลกุล  กรณีของตัวอย่างนี้หมายถึง  N

                X  หมายถึงจำนวนพันธะรอบอะตอมกลาง  กรณีนี้  คือ  3  พันธะ

                E  หมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวรอบอะตอมกลาง กรณีนี้  คือ   1  คู่

                **  สัญลักษณ์ VSEPR  ของสารนี้คือ  AX3E1

คำถาม  จงพิจารณาว่าสารที่มีโครงสร้างโมเลกุลดังต่อไปนี้  เมื่อใช้อะตอมหมายเลข  1  2  และ  3  เป็นอะตอมกลางแล้ว  จะมีสัญลักษณ์  VSEPR  หรือสูตร  AXE  อย่างไรบ้าง

คำตอบ      1.  เมื่ออะตอมหมายเลข  1  เป็นอะตอมกลาง  สัญลักษณ์  VSEPR   คือ  AX2E2

                2.  เมื่ออะตอมหมายเลข   2  เป็นอะตอมกลาง  สัญลักษณ์  VSEPR  คือ  AX3E0

                3.  เมื่ออะตอมหมายเลข  3  เป็นอะตอมกลาง  สัญลักษณ์  VSEPR  คือ  AX4E0

คำถาม  จงพิจารณาว่าสารที่มีโครงสร้างโมเลกุลดังต่อไปนี้  อะตอมกลางที่มีสัญลักษณ์  VSEPR  เป็น  AX3E0   AX4E0 AX3E1  AX2E2   มีชนิดละกี่อะตอม

คำตอบ   AX3E0  มี..................อะตอม   AX4E0 มี..................อะตอม   AX3E1 มี..................อะตอม     AX2E2 มี..................อะตอม   

       ถ้าโมเลกุลของสารโคเวเลนต์ชนิดต่าง ๆ  มีสูตร   AXE  เหมือนกันก็จะมีรูปทรงเรขาคณิตเหมือนกัน  โดยรูปทรงเรขาคณิตแต่ละแบบ จะมีขนาดของมุมระหว่างพันธะแตกต่างกัน   สูตร   AXE  รูปทรงเรขาคณิต ของโมเลกุลและขนาดของมุมระหว่างพันธะ   มีดังนี้

ตารางแสดงสูตร AXE รูปทรงเรขาคณิต และมุมระหว่างพันธะ  ของโมเลกุลโคเวเลนต์

	สูตร  AXE ของโมเลกุล	รูปทรงเรขาคณิตของกลุ่มอิเล็กตรอน รอบอะตอมกลาง	ภาพแสดงรูปทรงเรขาคณิต ของโมเลกุล	สารตัวอย่าง	มุมระหว่างพันธะ
	โมเลกุลอะตอมคู่ (ไม่มีสัญลักษณ์ AXE)	-	เส้นตรง (linear)	HF, O2, H2,N2,Cl2	-
	AX2E0	(เส้นตรง)	เส้นตรง (linear)	BeCl2, HgCl2, CO2
	AX3E0	(สามเหลี่ยมระนาบ)	สามเหลี่ยมระนาบ (triangle หรือ, trigonal planar)	BF3, CO32−, NO3−, SO3
	AX2E1	(สามเหลี่ยมระนาบ)	มุมงอ (bent , angular)	NO2−, SO2, O3
	AX4E0	ทรงสี่หน้า	ทรงสี่หน้า (tetrahedral)	CH4, PO43−, SO42−, ClO4−CO32-
	AX3E1	ทรงสี่หน้า	พีระมิดฐานสามเหลี่ยม (trigonal pyramid)	NH3, PCl3
	AX2E2	ทรงสี่หน้า	มุมงอ (bent ,angular)	H2O, OF2
	AX5E0	พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม	พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม (trigonal bipyramid)	PCl5	ในแนวระนาบฐานพีระมิดทำมุมกัน 120 องศา ส่วนส่วนสูงของพีระมิดทำมุม 90 องศากับระนาบ
	AX4E1	พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม	ม้ากระดก (see saw)	SF4
	AX3E2	พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม	ตัวที (T-shape)	ClF3, BrF3	น้อยกว่า 90 องศา
	AX2E3	พีระมิดคู่ ฐานสามเหลี่ยม	เส้นตรง (linear)	XeF2, I3−	180 องศา
	AX6E0	ทรงแปดหน้า	ทรงแปดหน้า (octrahedral)	SF6	90 องศา
	AX5E1	ทรงแปดหน้า	พีระมิดฐานสี่เหลี่ยม (square pyramid)	ClF5, BrF5	90 องศา
	AX4E2	ทรงแปดหน้า	สี่เหลี่ยมจัตุรัส (square plana)	XeF4	90 องศา
	AX7E0	พีระมิดคู่ฐานห้าเหลี่ยม (pentagonal bipyramid)	พีระมิดคู่ฐานห้าเหลี่ยม (pentagonal bipyramid)	IF7	ในแนวระนาบฐานพีระมิดทำมุมกัน 72 องศา ส่วนส่วนสูงของพีระมิดทำมุม 90 องศากับระนาบ
	AX6E1	พีระมิดคู่ฐานห้าเหลี่ยม	พีระมิดฐานห้าเหลี่ยม (pentagonal pyramid)	XeF6	ในแนวระนาบฐานพีระมิดทำมุมกัน 72 องศา ส่วนส่วนสูงของพีระมิดทำมุมน้อยกว่า 90 องศากับระนาบ