พันธะโคเวเลนต์

พันธะโคเวเลนต์คือพันธะเคมีที่อะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกันตั้งแต่หนึ่งคู่ขึ้นไป ในเคมีพื้นฐาน พันธะชนิดนี้มักเกิดระหว่างอะตอมอโลหะ และใช้อธิบายโมเลกุลที่พบได้บ่อยหลายชนิด เช่น $\text{H}_2$, $\text{O}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ และ $\text{CO}_2$

ถ้าจะจำเพียงแนวคิดเดียว ให้จำข้อนี้ไว้: พันธะโคเวเลนต์คือการ ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน ไม่ใช่การถ่ายโอนอิเล็กตรอนทั้งหมดจากอะตอมหนึ่งไปสู่อีกอะตอมหนึ่ง

ทำไมพันธะโคเวเลนต์จึงเกิดขึ้น

อะตอมมักเกิดพันธะกันเพราะสภาวะที่จับกันมีพลังงานต่ำกว่าการที่อะตอมเดียวกันแยกจากกัน ในหลายกรณีระดับพื้นฐาน การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันช่วยให้อะตอมแต่ละตัวเติมอิเล็กตรอนในชั้นนอกสุดได้สมบูรณ์มากขึ้น

สำหรับอะตอมหมู่หลักหลายชนิด เรื่องนี้มักอธิบายด้วยกฎออกเตต กฎนี้มีประโยชน์ แต่เป็นเพียงแบบแผน ไม่ใช่กฎตายตัว ไฮโดรเจนเป็นข้อยกเว้นที่พบได้บ่อย เพราะโดยทั่วไปจะเสถียรเมื่อมีอิเล็กตรอน $2$ ตัว ไม่ใช่ $8$ ตัว

การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันหมายถึงอะไร

ในพันธะโคเวเลนต์ อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดโดยนิวเคลียสของทั้งสองอะตอม แรงดึงดูดร่วมนี้ทำให้อะตอมยึดกันอยู่ได้

การใช้อิเล็กตรอนร่วมกันไม่จำเป็นต้องเท่ากันเสมอไป ถ้าอะตอมหนึ่งดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ร่วมได้แรงกว่า พันธะนั้นก็ยังเป็นพันธะโคเวเลนต์อยู่ แต่จะเป็น พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว แทนที่จะเป็นแบบไม่มีขั้ว

ตัวอย่างคำนวณ: $\text{H}_2$ เกิดขึ้นได้อย่างไร

อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมสามารถรวมกันเป็น $\text{H}_2$ ได้ ไฮโดรเจนแต่ละอะตอมเริ่มต้นด้วยอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และแต่ละอะตอมจะเสถียรที่สุดเมื่อมีอิเล็กตรอน $2$ ตัวในชั้นพลังงานแรก

เมื่ออะตอมทั้งสองใช้อิเล็กตรอนร่วมกันหนึ่งคู่ ไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจึงนับคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมนี้เป็นส่วนหนึ่งของชั้นนอกสุดได้ เท่ากับว่าแต่ละอะตอมมีดูเอตที่เสถียรตามต้องการ

คุณมักจะเห็นเขียนแสดงแบบนี้:

$$\text{H} \cdot + \cdot \text{H} \rightarrow \text{H}:\text{H}$$

จุดสองจุดในโครงสร้างสุดท้ายแทนคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันหนึ่งคู่ ซึ่งก็คือพันธะโคเวเลนต์เดี่ยวหนึ่งพันธะ

นี่เป็นตัวอย่างพันธะโคเวเลนต์ที่ง่ายที่สุด เพราะไฮโดรเจนไม่จำเป็นต้องมีออกเตต ต้องการเพียงดูเอตเท่านั้น ดังนั้นการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเพียงหนึ่งคู่ก็เพียงพอ

พันธะโคเวเลนต์เดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสาม

พันธะเดี่ยว มีคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันหนึ่งคู่ พันธะคู่ มีสองคู่ พันธะสาม มีสามคู่

โดยทั่วไป การมีคู่อิเล็กตรอนร่วมมากขึ้นมักหมายถึงพันธะที่สั้นกว่าและแข็งแรงกว่า เมื่อเปรียบเทียบอะตอมคู่เดิมในโมเลกุลที่ใกล้เคียงกัน อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบนี้ต้องทำอย่างระมัดระวัง เพราะความแข็งแรงของพันธะยังขึ้นอยู่กับชนิดของอะตอมที่เกี่ยวข้องด้วย

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยเกี่ยวกับพันธะโคเวเลนต์

สับสนระหว่างการใช้อิเล็กตรอนร่วมกับการใช้ร่วมกันอย่างเท่าเทียม

ไม่ใช่ทุกพันธะโคเวเลนต์ที่จะใช้อิเล็กตรอนร่วมกันอย่างเท่ากัน การใช้ร่วมกันอย่างเท่ากันจะใกล้เคียงกับกรณีไม่มีขั้วมากกว่า ส่วนการใช้ร่วมกันไม่เท่ากันจะทำให้เกิดประจุบางส่วนและความมีขั้วของพันธะ

มองว่ากฎออกเตตใช้ได้กับทุกกรณี

กฎออกเตตเป็นแบบจำลองเริ่มต้นที่ดีสำหรับโมเลกุลหลายชนิด แต่ไม่ใช่ทั้งหมด ไฮโดรเจนเป็นไปตามกฎดูเอต และอะตอมบางชนิดก็สามารถสร้างโมเลกุลที่เสถียรได้แม้ไม่ตรงกับภาพออกเตตอย่างง่าย

สับสนระหว่างพันธะโคเวเลนต์กับพันธะไอออนิก

ในพันธะไอออนิก อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนมากพอที่จะทำให้เกิดไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน ส่วนในพันธะโคเวเลนต์ ภาพหลักคือความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่ถูกใช้ร่วมกันระหว่างอะตอม

พันธะโคเวเลนต์พบได้ที่ไหนบ้าง

พันธะโคเวเลนต์เป็นการเชื่อมต่อพื้นฐานในสารที่คุ้นเคยหลายชนิด เช่น น้ำ ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำตาล โปรตีน พลาสติก และ DNA พันธะชนิดนี้สำคัญมากเป็นพิเศษในเคมีอินทรีย์ เพราะคาร์บอนสามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์กับธาตุได้หลายชนิด และสร้างเป็นสายโซ่หรือวงแหวนที่เสถียรได้

ถ้าคุณต้องการทำนายรูปร่างโมเลกุล ความมีขั้ว หรือความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยา การเข้าใจพันธะโคเวเลนต์มักเป็นก้าวแรก

ลองทำตัวอย่างที่คล้ายกัน

ลองทำด้วยตัวเองกับ $\text{Cl}_2$ หรือ $\text{O}_2$ โดยเริ่มจากถามคำถามหนึ่งก่อนว่า อะตอมแต่ละตัวต้องการอิเล็กตรอนอีกกี่ตัวเพื่อให้ชั้นนอกสุดเสถียรมากขึ้น จากนั้นค่อยนับว่าต้องใช้อิเล็กตรอนร่วมกันกี่คู่ ถ้าอยากศึกษาต่อ ลองดูโครงสร้างลิวอิสเป็นลำดับถัดไป เพราะช่วยให้มองภาพพันธะโคเวเลนต์ได้ง่ายขึ้นมาก