พันธะเคมี
แรงยึดเหนี่ยวทางเคมี
ในชีวิตประจำวันทั่วๆไปจะพบว่าสารชนิดหนึ่งๆมักจะอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและเมื่อต้องการทำให้แยกออกจากกันจะต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งตัวอย่างเช่น
1. เมื่อให้ความร้อนแก่สารจนกระทั่งโมเลกุลของสารมีพลังงานสูงพอจะทำให้เกิด
·
การเปลี่ยนสถานะ น้ำแข็ง(ให้พลังงานความร้อน)เปลี่ยนสถานะเป็นน้ำ(ของเหลว)ให้พลังงานความร้อนเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ
·
สารบางชนิดอาจแยกสลายออกเป็นสารหลายชนิดได้
2. เมื่อให้พลังงานไฟฟ้าโมเลกุลของสารบางชนิดจะสลายตัวให้ธาตุที่เป็นองค์ประกอบ
เช่นการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า
จากข้อมูลข้างต้น
แสดงว่ามีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล
และแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมที่เป็นองค์ประกอบของโมเลกุล
เราสามารถแบ่งแรงยึดเหนี่ยวออกเป็น 2 ประเภทดังนี้
1.แรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุล(พันธะเคมี)
อะตอม - อะตอมได้แก่
อะตอม - อะตอมได้แก่
·
พันธะโคเวเลนต์ (covelent bond)
·
พันธะไอออนิก (ionic bond)
·
พันธะโลหะ (metallic
bond)
2.แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล
โมเลกุล -โมเลกุล ได้แก่
โมเลกุล -โมเลกุล ได้แก่
·
แรงแวนเดอร์วาลส์ (vanderwaal force)
·
แรงดึงดูดระหว่างขั้ว (dipole-dipole interation)
·
พันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)
พันธะเคมี
พันธะเคมีคือ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมกับอะตอมภายในโมเลกุลเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมที่ทำให้เกิดโมเลกุลของสาร
กฎออกเตด (Octet rule)
จากการศึกษาเกี่ยวกับธาตุก๊าซเฉื่อย
เช่น He
Ne Ar Kr พบว่าเป็นธาตุที่โมเลกุลเป็นอะตอมเดี่ยว คือในหนึ่งโมเลกุลของก๊าซเฉื่อยจะมีเพียง1อะตอม แสดงว่าเป็นธาตุที่เสถียรมากทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจที่จะค้นคว้าถึงเหตุผลที่ทำให้ธาตุเฉื่อยมีความเสถียรและจากการศึกษาโครงสร้างอะตอมของธาตุเฉื่อยมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนวงนอกสุดเหมือนกัน
คือมี 8 อิเล็กตรอน(ยกเว้น He มี 2
อิเล็กตรอน) เช่น
2He =210Ne = 2 ,818Ar = 2 , 8 ,836Kr
= 2 , 8 , 18 ,8
ส่วนธาตุหมู่อื่นมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด
ไม่ครบ 8 เช่น
1H =16C = 2 ,47N = 2 ,58O = 2 ,6
ธาตุที่มีวาเลนต์อิเล็กตรอนไม่ครบ 8 ในธรรมชาติจะไม่สามารถอยู่เป็นอะตอมเดี่ยวๆได้
ซึ่งแสดงว่าไม่เสถียร ต้องรวมกันเป็นโมเลกุลซึ่งอาจจะมี 2 อะตอมหรือมากกว่า
การที่อะตอมของธาตุต่างๆ
รวมตัวกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้วาเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้
นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งเป็นกฎขึ้นเรียกว่า กฎออกเตต
การรวมกันเพื่อทำให้อะตอม
มีวาเลนต์อิเล็กตรอนครบ 8 อาจมีลักษณะดังนี้
1.
อะตอมใช้วาเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันเป็นคู่ๆ
จะเกิด"พันธะโคเวเลนต์ "
2.
อะตอม ให้หรือรับอิเล็กตรอน จะเกิดเป็น" พันธะไอออนิค"
3.
อะตอมใช้วาเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันทั้งก้อน จะเกิดเป็น"
พันธะโลหะ "
(ความแข็งแรงของพันธะพันธะโลหะ
> พันธะไอออนิค > พันธะโคเวเลนต์)
พันธะโคเวเลนต์ (Covalent bond) มาจากคำว่า co
+ valence electron ซึ่งหมายถึง
พันธะที่เกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน ดังเช่น ในกรณีของไฮโดรเจน
ดังนั้นลักษณะที่สำคัญของพันธะโคเวเลนต์ก็คือการที่อะตอมใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันเป็นคู่
ๆ
สารประกอบที่อะตอมแต่ละคู่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์
เรียกว่าสารโคเวเลนต์
โมเลกุลของสารที่อะตอมแต่ละคู่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์
เรียกว่าโมเลกุลโคเวเลนต์
การเกิดพันธะโคเวเลนต์
ดังที่ได้กล่าวไว้แล้วว่าพันธะโคเวเลนต์
เกิดจากการใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกัน ซึ่งอาจจะใช้ร่วมกันเพียง 1 คู่ หรือมากกว่า 1
คู่ก็ได้
อิเล็กตรอนคู่ที่อะตอมทั้งสองใช้ร่วมกันเรียกว่า
“อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ”
อะตอมที่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเรียกว่าอะตอมคู่ร่วมพันธะ
·
ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่าพันธะเดี่ยวเช่น
ในโมเลกุลของไฮโดรเจน
·
ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่าพันธะคู่เช่น
ในโมเลกุลของออกซิเจน
·
ถ้าอะตอมคู่ร่วมพันธะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 3 คู่จะเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์ที่เรียกว่าพันธะสามเช่น
ในโมเลกุลของไฮโดรเจน
จากการศึกษาสารโคเวเลนต์จะพบว่า
ธาตุที่จะสร้างพันธะโคเวเลนต์ส่วนมากเป็นธาตุอโลหะกับอโลหะ
ทั้งนี้เนื่องจากโลหะมีพลังงานไอออไนเซชันค่อนข้างสูง จึงเสียอิเล็กตรอนได้ยาก
เมื่ออโลหะรวมกันเป็นโมเลกุลจึงไม่มีอะตอมใดเสียอิเล็กตรอน
มีแต่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์
อย่างไรก็ตามโลหะบางชนิดก็สามารถเกิดพันธะโคเวเลนต์กับอโลหะได้ เช่น Be เกิดเป็นสารโคเวเลนต์คือ
BeCl2เป็นต้น
การเขียนสูตรและการเรียกชื่อสารโคเวเลนต์
สูตรเคมี
หมายถึงสัญลักษณ์ที่ใช้เพื่อแสดงว่าสารประกอบนั้นมีธาตุอะไรบ้างเป็นองค์ประกอบอย่างละกี่อะตอม
สูตรเคมีแบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ
1. สูตรโมเลกุลเป็นสูตรเคมีที่แสดงให้ทราบว่าสารนั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้างอย่างละกี่อะตอม
เช่น สูตรโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคส คือ C6H12O6แสดงว่ากลูโคสประกอบด้วยธาตุ
C , H และ O จำนวน 6 , 12 และ 6 อะตอมตามลำดับ
สำหรับสูตรโมเลกุล
ของสารโคเวเลนต์โดยทั่วไป จะเขียนสัญลักษณ์ของธาตุในโมเลกุล เรียงลำดับคือ B , Si, C , P , H , S , I , Sr , Cl
, O และ F เช่น ClF OF2, CO2เป็นต้น
2. สูตรอย่างง่ายเป็นสูตรเคมีที่แสดงให้ทราบว่าสารนั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง
มีอัตราส่วนของจำนวนอะตอมเป็นเท่าใด เช่น สูตรอย่างง่ายของกลูโคสคือ CH2O ซึ่งแสดงว่ากลูโคสประกอบด้วยธาตุ C, H และ O โดยมีอัตราส่วนอะตอมของ C : H : O = 1: 2 : 1
3. สูตรโครงสร้างเป็นสูตรเคมีที่แสดงให้ทราบว่าสารนั้นประกอบด้วยธาตุอะไรบ้าง
อย่างละกี่อะตอมและแต่ละอะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเคมีอย่างไร
จะเห็นได้ว่าสูตรโครงสร้างของสารให้ราบละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบของธาตุต่าง ๆ
ในโมเลกุลมากกว่าสูตรอย่างง่ายและสูตรโมเลกุล
สูตรโครงสร้างสามารถเขียนได้ 2 แบบ คือ
สูตรโครงสร้างแบบจุด (electron dot formula) หรือสูตรโครงสร้างแบบลิวอิส
(Lwwis formula) และสูตรโครงสร้างแบบเส้น (graphic
formula) สูตรโครงสร้างทั้ง 2 แบบจะแสดงเฉพาะเวเลนต์อิเล็กตรอนของอะตอมคู่ร่วมพันธะ
ก. สูตรโครงสร้าง
ใช้สัญลักษณ์เป็นจุด ( . )
แทนเวเลนต์อิเล็กตรอนโดยเขียนไว้รอบ ๆ สัญลักษณ์ของธาตุ หรืออาจจะใช้สัญลักษณ์เป็น
x แทนเวเลนต์อิเล็กตรอนก็ได้เพื่อให้เห็นความแตกต่างระหว่างอิเล็กตรอนของธาตุคู่ร่วมพันธะต่างชนิดกัน
โดยทั่ว ๆ
ไปการเขียนสูตรแบบจุดจะมีข้อกำหนดดังนี้
1. อะตอมของธาตุก่อนเขียน
ให้เขียนแยกกัน และเขียนจุด ( . ) แสดงเวเลนต์อิเล็กตรอนล้อมรอบสัญลักษณ์ของธาตุ
โดยมีจำนวนจุดเท่ากับจำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอน เช่น
1H มี 1 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดเป็น
8O มี 6 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดเป็น
15P มี 5 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดเป็น
2. เมื่ออะตอม 2
อะตอมสร้างพันธะโคเวเลนต์
ให้เขียนสูตรแบบจุดของอะตอมทั้งสองไว้ด้วยกัน สำหรับอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน
ให้เขียนจุด ( . ) ไว้ในระหว่างสัญลักษณ์ของอะตอมคู่ร่วมพันธะ
ส่วนอิเล็กตรอนที่ไม่ได้ร่วมกัน หรืออิเล็กตรอนที่ไม่ได้ใช้ในการสร้างพันธะ
ให้เขียนด้วยจุดไว้บนอะตอมเดิม
จะเห็นได้ว่าการเขียนสูตรแบบจุดจำเป็นที่จะต้องทราบจำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนของธาตุคู่ร่วมพันธะก่อนซึ่งอาจจะทราบจากเลขอะตอมของธาตุ
หลังจากนั้นจึงจะนำมาเขียนเป็นสูตรแบบจุด
ตัวอย่างเช่น
1. สูตรแบบจุดของไฮโดรเจน
(H2)
1H มี 1 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดได้เป็น เมื่อ 2 อะตอมรวมกันเป็นโมเลกุล
จะมีการใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่
จึงเขียนสูตรแบบจุดได้ดังนี้
2. สูตรแบบจุดของก๊าซไฮโดรเจนฟลูออไรด์
(HF)
9F มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น
2 , 7
ดังนั้นมี 7 เวเลนต์อิเล็กตรอน
สูตรแบบจุดคือ
เมื่อ H รวมกับ F เป็น HF เขียนเป็นสูตรแบบจุดได้ดังนี้
H และ F ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพียง 1 คู่ในโมเลกุลของ HF
จึงมีพันธะโคเวเลนต์เพียง 1 พันธะ
โดยเขียนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันไว้ระหว่างธาตุ H กับ F
สำหรับอิเล็กตรอนที่เหลือของ F 6 อิเล็กตรอนก็เขียนไว้บนอะตอมของ
F
3. สูตรแบบจุดของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์
(H2S)
กำมะถันมีเลขอะตอมเท่ากับ 16
เพราะฉะนั้นมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น
2 ,
8 , 6
16S จึงมี 6 เวเลนต์อิเล็กตรอน สูตรแบบจุดคือ
เมื่อ H รวมกับ S เป็น H2S เขียนสูตรแบบจุดได้เป็นดังนี้
ในโมเลกุลของ H2S มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่าง
H กับ S 2 คู่ ดังนั้นในโมเลกุลของ H2S
จึงมีพันธะโคเวเลนต์ 2 พันธะ
ซึ่งอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันทั้ง 2 คู่ได้เขียนไว้ระหว่างอะตอมของ
H กับ S ส่วนอิเล็กตรอนที่เหลือของ S
4 อิเล็กตรอนให้เขียนไว้บนอะตอมของ S
4. สูตรแบบจุดของก๊าซแอมโมเนีย
(NH3)
ไนโตรเจนเป็นธาตุหมู่ที่ 5 มีเลขอะตอมเท่ากับ 7
เพราะฉะนั้นมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น
2 ,
5
7N จึงมี 5 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดได้ดังนี้
เมื่อ N รวมกับ H เป็น NH3เขียนสูตรแบบจุดได้ดังนี้
จะเห็นได้ว่าในโมเลกุลของ NH3มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่าง
H กับ N 3 คู่จึงพันธะโคเวเลนต์ 3
พันธะ
5. สูตรแบบจุดของฟอสฟอรัสไตรคลอไรด์
(PCl3)
P มีเลขอะตอมเท่ากับ 15
เพราะฉะนั้น P มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น
2 , 8 , 5
15P จึงมี 5 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดได้เป็น
Cl มีเลขอะตอมเท่ากับ 17
เพราะฉะนั้น Cl มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น
2 , 8 , 7
17Cl จึงมี 7 เวเลนต์อิเล็กตรอน เขียนสูตรแบบจุดได้เป็น
เมื่อ Cl 3 อะตอม รวมตัวกับ P
1 อะตอม เกิดเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ PCl3จะเขียนสูตรแบบจุดได้ดังนี้
ในโมเลกุลของ PCl3มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างธาตุ
P กับ Cl รวม 3 คู่เกิดเป็นพันธะโคเวเลนต์
3 พันธะ
ข. สูตรโครงสร้างแบบเส้น
เป็นการเขียนสูตรโครงสร้างของโมเลกุลโคเวเลนต์อีกแบบหนึ่งซึ่งแตกต่างจากสูตรแบบจุดเล็กน้อย
โดยกำหนดให้ใช้เส้นตรง ( - ) แทนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 1 คู่
หรือแทนพันธะโคเวเลนต์ 1 พันธะ
ทั้งนี้ให้เขียนไว้ในระหว่างสัญลักษณ์ของธาตุคู่ร่วมพันธะ
สำหรับอิเล็กตรอนที่ไม่ใช่อิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะจะเขียนไว้หรือไม่เขียนก็ได้
(ปกติจะไม่เขียน)
สูตรแบบเส้นจึงเป็นการกำหนดขึ้นมาเพื่อให้เขียนสูตรโครงสร้างได้สะดวก และง่ายขึ้น
ทั้งนี้เพราะไม่จำเป็นต้องแสดงเวเลนต์อิเล็กตรอนทั้งหมดของธาตุคู่ร่วมพันะะ
·
ให้ใช้เส้นตรง 1 เส้น ( - ) แทนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 1 คู่
·
ให้ใช้เส้นตรง 2 เส้น ( = ) แทนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 2 คู่
·
ให้ใช้เส้นตรง 3 เส้น ( ) แทนอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 3 คู่
ตัวอย่างสูตรแบบเส้น
1. สูตรแบบเส้นของก๊าซไฮโดรเจน
(H2)
สูตรแบบจุดของ H2คือ H : H
จะเห็นได้ว่า H ทั้งสองอะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน
1 คู่จึงใช้เส้นตรง 1 เส้นเขียนแทนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ
โดยเขียนไว้ระหว่าง H ทั้งสองอะตอม
เพราะฉะนั้นสูตรโครงสร้างแบบเส้นของ H2จึงเป็น H -
H
2. สูตรโครงสร้างแบบเส้นของก๊าซไฮโดรเจนฟลูออไรด์
(HF)
สูตรแบบจุดของ HF คือ
จะเห็นได้ว่าอะตอม H กับ F มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพียง 1 คู่ จึงใช้เส้นตรง
1 เส้นแทนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ
เพราะฉะนั้นสูตรแบบเส้นของ HF จึงเป็น H -
F
3. สูตรแบบเส้นของก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์
(H2S)
สูตรแบบจุดของ H2S คือ
จะเห็นได้ว่า H และ S ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่จึงใช้เส้นตรง 1 เส้นแทนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 1 คู่
ในโมเลกุลของ H2S จึงมี 2 พันธะโคเวเลนต์
เพราะฉะนั้น สูตรแบบเส้นของ H2S คือ H - S
- H
4.สูตรแบบเส้นของก๊าซแอมโมเนีย
(NH3)
สูตรแบบจุดของ NH3คือ
เพราะฉะนั้นสูตรแบบเส้น ของ NH3จึงเป็น
5. สูตรแบบเส้นของฟอสฟอรัสไตรคลอไรด์
(PCl3)
สูตรแบบจุดคือ
เพราะฉะนั้นเขียนสูตรแบบเส้นได้เป็น
หมายเหตุ
ก.
การเขียนสูตรโครงสร้างแสดงพันธะโคเวเลนต์ทั้ง 2 แบบนี้เป็นเพียงสูตรที่เขียนขึ้นเพื่อความสะดวกเท่านั้นไม่ได้แสดงตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอน
อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันซึ่งเขียนไว้ระหว่างอะตอมคู่ร่วมพันธะ
ก็ไม่ได้หมายความว่าอิเล็กตรอนทั้งคู่จะต้องอยู่ระหว่างนิวเคลียสทั้งสองตลอดเวลา
อิเล็กตรอนทั้งคู่อาจจะไปอยู่ส่วนอื่น ๆ ของอะตอมได้
แต่อย่างไรก็ตามโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนทั้งคู่อยู่
ระหว่างนิวเคลียสทั้งสองมีมากกว่าบริเวณอื่น ๆ
ข.
การเขียนสูตรโครงสร้างทั้งสองแบบนี้
จุดหรือเส้นเพียงแต่แสดงจำนวนพันธะที่แต่ละอะตอมสร้างขึ้น
ไม่ได้แสดงตำแหน่งของพันธะหรือตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอน รวมทั้งไม่ได้แสดงกฎออกเตต
(Octet
Rule)
จากการศึกษาเกี่ยวกับธาตุเฉื่อย เช่น
He
, Ne , Ar , Kr พบว่าเป็นธาตุที่จัดอยู่ในประเภทโมเลกุลอะตอมเดียวทุกสถานะ
คือใน 1 โมเลกุลของธาตุเฉื่อยจะมีเพียง 1 อะตอมทั้งสถานะของแข็ง ของเหลว
และก๊าซในธรรมชาติเกือบจะไม่พบสารประกอบของธาตุเฉื่อยเลย แสดงว่าธาตุเฉื่อยเป็นธาตุที่เสถียรมาก
เกิดปฏิกิริยาเคมีกับธาตุอื่น ๆ ได้ยาก การที่ก๊าซเฉื่อยมีความเสถียรมาก
ทำให้นักวิทยาศาสตร์สนใจที่จะค้นคว้าถึงเหตุผลที่ทำให้ธาตุเฉื่อยมีความเสถียร
และจากการศึกษาโครงสร้างอะตอมของธาตุเฉื่อยพบว่าธาตุเฉื่อยมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนวงนอกสุดเหมือนกัน
คือ มี 8 เวเลนต์อิเล็กตรอน (ยกเว้นธาตุ He มี 2
เวเลนต์อิเล็กตรอน) เช่น
2He = 2
10Ne = 2 , 8
18Ar = 2 , 8 , 8
36Kr= 2 , 8 , 18 , 8
เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างอะตอมของธาตุอื่น
ๆ เช่น H ,
O , N
1H = 1
8O = 2 , 6
7N = 2 , 5
ธาตุเหล่านี้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า
8 ในธรรมชาติจะไม่สามารถอยู่เป็นอะตอมเดี่ยว ๆ ได้ ซึ่งแสดงว่าไม่เสถียร
ต้องรวมกันเป็นโมเลกุลซึ่งอาจจะมี 2 อะตอมหรือมากกว่า การที่ธาตุเฉื่อยมี 8
เวเลนต์อิเล็กตรอนแล้วทำให้เสถียรกว่าธาตุอื่น ๆ
ซึ่งมีเวเลนต์อิเล็กตรอนไม่เท่ากับ 8 ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าโครงสร้างของอะตอมที่มี
8 เวเลนต์อิเล็กตรอนเป็นสภาพที่อะตอมเสถียรที่สุด
ดังนั้นธาตุต่าง ๆ
ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 จึงพยายามปรับตัวให้มีโครงสร้างแบบธาตุเฉื่อย
เช่น โดยการรวมตัวกันเป็นโมเลกุลหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพื่อทำให้เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ
8 ส่วนไฮโดรเจนจะพยายามปรับตัวให้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 เหมือนธาตุ He
การที่อะตอมของธาตุต่าง ๆ
รวมตัวกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้
นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งเป็นกฎเรียกว่ากฎออกเตต
ดังนั้นธาตุต่าง ๆ
จึงพยายามรวมตัวกัน เพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต
ซึ่งจะทำให้ได้สารประกอบหรือโมเลกุลที่อยู่ในสภาพที่เสถียร
สำหรับการรวมตัวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์จะมีการใช้เวเลนต์อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างอะตอมคู่ร่วมพันธะ
อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันถือว่าเป็นอิเล็กตรอนของอะตอมคู่ร่วมพันธะทั้งสอง
เช่น F2 มีสูตรแบบจุดเป็น
อะตอมของ F มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ
7
เมื่อเกิดพันธะโคเวเลนต์มีการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน
1 คู่ ซึ่งอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน 1 คู่นี้ถือว่าเป็นของฟลูออรีนทั้ง 2 อะตอม
ทำให้ฟลูออรีนแต่ละอะตอมใน F2มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8
จำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนของธาตุแต่ละชนิดอาจจะแสดงให้เห็นได้ชัดเจนขึ้นโดยการเขียนวงกลมล้อมรอบแต่ละลอะตอม
จำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่ในวงกลมของธาตุใดก็จัดว่าเป็นของธาตุนั้น
เช่น
ข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต
ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่าอะตอมของธาตุต่าง
ๆ มักจะรวมตัวกันเป็นสารประกอบเพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต
ซึ่งจะทำให้สารประกอบนั้นอยู่ในสภาพที่เสถียร เช่น H2O , PCl3, NH3, CO2แต่อย่างไรก็ตามเมื่อมีการศึกษาให้กว้างขวางออกไปก็พบว่าสารประกอบบางชนิดมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนไม่เป็นไปตามกฎออกเตต
บางชนิดมีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 8 และบางชนิดมีเวเลนต์อิเล็กตรอนมากกว่า 8
ซึ่งสารต่าง ๆ เหล่านี้แม้ว่าจะไม่เป็นไปตามกฎออกเตต แต่ก็อยู่ในภาวะที่ไม่เสถึยร
จัดว่าเป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎออกเตต ซึ่งสรุปได้ดังนี้
ก. พวกที่ไม่ครบออกเตต
ได้แก่สารประกอบของธาตุในคาบที่ 2
ของตารางธาตุ ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนน้อยกว่า 4 เช่น4Be และ5B
4Be = 2 , 2 เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2
5B = 2 , 3 เวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 3
ธาตุ Be และ B เมื่อเกิดเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ทั่ว ๆ ไปจะไม่ครบออกเตต
ตัวอย่างเช่น BF3, BCl3, BeCl2และ BeF2เป็นต้น
* ใน BF3ธาตุ B จะมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 6 ซึ่งไม่ครบออกเตต ในขณะที่ธาตุ F ครบออกเตต
* ใน BeCl2ธาตุ Be จะมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 ซึ่งไม่ครบออกเตต ในขณะที่ธาตุ Cl ครบออกเตต
แต่ถ้าธาตุเหล่านี้เกิดเป็นสารประกอบเชิงซ้อน
บางชนิดจะเป็นไปตามกฎออกเตต เช่น BF4-, BCl3.NH3
ใน BF4-ทั้ง B และ F ต่างก็มีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8
เป็นไปตามกฎออกเตต
ใน BCl3.NH3ทั้ง B , Cl , N และ F ต่างก็เป็นไปตามกฎออกเตต
ข. พวกที่เกินกฎออกเตต
ตามทฤษฎีสารประกอบของธาตุที่อยู่ในคาบที่
3 ของตารางธาตุเป็นต้นไป สารมารถสร้างพันธะแล้วทำให้อิเล็กตรอนเกิน 8 ได้
(ตามกฎการจัดอิเล็กตรอน 2n2ในคาบที่ 3 สามารถมีอิเล็กตรอนได้เต็มที่ถึง 18 อิเล็กตรอน)
แต่อย่างไรก็ตามพวกที่เกินออกเตตมักจะพบในสารประกอบบางตัวของ P , S และโลหะทรานซิชัน เช่นใน PCl5, SF6, Fe(CN)63-, Co(NH3)62+,
SiF62-และ Icl3เป็นต้น
ใน PCl5ธาตุ P เกิดพันธะกับ Cl รวม 5
พันธะจึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 10 ซึ่งเกินออกเตต ( 1 พันธะหรือ 1
เส้นประกอบด้วย 2 อิเล็กตรอน) สำหรับ PCl3หรือสารประกอบอื่น
ๆ ของธาตุ P ส่วนมากเป็นไปตามกฎออกเตต
ใน SF6ธาตุ S เกิดพันธะกับ F รวม 6 พันธะจึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ
12 ซึ่งเกินออกเตต แต่ใน SF2หรือสารประกอบอื่น ๆ ของธาตุ S
ส่วนมากเป็นไปตามกฎออกเตต
ใน ICl3ธาตุ I เกิดพันธะกับ Cl รวม 3
พันธะและมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ จึงรวมเป็น 10 อิเล็กตรอน ซึ่งเกินออกเตต
แต่ ICl หรือสารประกอบอื่น ๆ ของ I ส่วนใหญ่เป็นไปตามกฎออกเตต
ใน Co(NH3)62+ธาตุ Co
เกิดพันธะกับ N ใน NH3รวม
6 พันธะจึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 12 ซึ่งเกินออกเตต
นอกจากสารประกอบที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตตดังที่ได้กล่าวมาแล้ว
ยังมีสารประกอบอื่น ๆ อีกบางชนิดซึ่งไม่เป็นไปตามกฎออกเตต เช่น
ออกไซด์บางตัวของธาตุไนโตรเจน ( NO และ NO2)และออกไซด์ของคลอรีน
(ClO2) เป็นต้น ธาตุเหล่านี้ (N และ Cl)
สามารถมีอิเล็กตรอนที่ไม่ได้จับคู่ หรืออิเล็กตรอนเดี่ยว (Unpaired
electron) ซึ่งทำให้แสดงสมบัติเป็น paramagnetic ได้
ใน NO ธาตุ N มีเพียง 7 อิเล็กตรอนซึ่งไม่เป็นไปตามกฎออกเตต
ใน NO2ธาตุ N เกิดพันธะกับธาตุ O แต่มีอิเล็กตรอนเพียง 7
ซึ่งไม่ครบออกเตต
ใน ClO2ธาตุ Cl เกิดพันธะกับธาตุ O แต่มีอิเล็กตรอนเพียง 7
ซึ่งไม่ครบออกเตต
ประโยชน์ของกฎออกเตต
กฎออกเตต
นอกจากจะใช้สำหรับเขียนสูตรโครงสร้างสารแล้ว
ยังสามารถใช้ช่วยทำนายสัดส่วนจำนวนอะตอมของธาตุที่ทำปฏิกิริยากัน
และทำนายสูตรของสารประกอบต่าง ๆ ได้ ตัวอย่างเช่น
1.
ทำนายว่าสารประกอบระหว่างธาตุคลอรีนกับธาตุฟลูออรีน ควรจะมีสูตรเป็น ClF
เนื่องจากธาตุ Cl และ F ต่างก็เป็นธาตุหมู่ที่ 7 จึงมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 ทั้ง Cl และ F ต่างก็ต้องการอีก 1 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต
ดังนั้นจึงสร้างพันธะ 1 พันธะ แสดงว่า Cl กับ F ควรจะรวมกันเป็นสารประกอบโดยใช้อย่างละ 1 อะตอม
2. กรณีสารประกอบฟอสฟอรัสกับคลอรีน
โดยอาศัยกฎออกเตตจะทำนายได้ว่าสูตรของสารประกอบควรจะเป็น
PCl3เพราะ ธาตุ P เป็นธาตุหมู่ที่ 5 มี 5
เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 3 อิเล็กตรอน หรือต้องเกิด 3 พันธะ จึงจะครบออกเตต
ในขณะที่ Cl เป็นธาตุหมูที่ 7 มี 7 เวเลนต์อิเล็กตรอน
ต้องการอีกเพียง 1 อิเล็กตรอนหรือต้องการเกิดเพียง 1 พันธะก็จะครบออกเตต
เพื่อให้ทั้ง P และ Cl ครบออกเตต จึงต้องใช้ Cl 3 อะตอมต่อ P 1 อะตอม สูตรของสารประกอบจึงเป็น PCl3
3.
กรณีของสารประกอบระหว่างไนโตรเจนกับไฮโดรเจน
โดยใช้กฎออกเตต
จะทำนายได้ว่าสารประกอบควรจะเป็น NH3
ธาตุ N มี 5 เวเลนต์อิเล็กตรอน
ต้องการอีก 3 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตตซึ่งก็ทำได้โดยการเกิด 3 พันธะ ส่วนธาตุ H
มี 1 เวเลนต์อิเล็กตรอนต้องการอีก 1 อิเล็กตรอนจึงจะครบ 2
อิเล็กตรอนเหมือนธาตุ He ซึ่งก็ทำได้โดยการเกิด 1 พันธะ
ดังนั้น N 1 อะตอมต้องการ 3
พันธะ จึงต้องรวมกับ H 3 อะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมต้องการ 1
พันธะ เพื่อให้ทั้ง N และ H ครบออกเตต
สูตรของสารประกอบจึงเป็น NH3
4.
กรณีสารประกอบระหว่างคาร์บอนกับคลอรีน
โดยใช้กฎออกเตต
จะทำนายได้ว่าสูตรของสารประกอบควรจะเป็น CCl4
ธาตุ C มี 4
เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 4 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงต้องเกิด 4
พันธะ ส่วน ธาตุ Cl มี 7 เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 1
อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงต้องเกิด 1 พันธะ
เพราะฉะนั้น C 1 อะตอม ต้องการ 4
พันธะ จึงต้องรวมกับ Cl 4 อะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมต้องการ 1
พันธะ จึงจะทำให้ C และ Cl ครบออกเตต
สูตรของสารประกอบจึงเป็น CCl4
5.
กรณีสารประกอบระหว่างคาร์บอนกับกำมะถัน
โดยใช้กฎออกเตต
จะทำนายได้ว่าสูตรของสารประกอบควรจะเป็น CS2
ธาตุ C มี 4
เวเลนต์อิเล็กตรอน ต้องการอีก 4 อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงเกิด 4 พันธะ
ส่วนธาตุ S มี 6 มีเวเลนต์อิเล็กตรอนต้องการอีก 2
อิเล็กตรอนจึงจะครบออกเตต ดังนั้นจึงเกิด 2 พันธะ
เพราะฉะนั้น C 1 อะตอมต้องการ 4
พันธะ จึงต้องรวมกับ S 2 อะตอม ซึ่งแต่ละอะตอมต้องการ 2
พันธะ เพื่อให้ทั้ง C และ S ครบออกเตต
สูตรของสารประกอบจึงเป็น CS2โครงสร้างของโมเลกุล
