เรขาคณิตโมเลกุล — ทฤษฎี VSEPR และรูปร่างโมเลกุล

เรขาคณิตโมเลกุลคือรูปร่างสามมิติของโมเลกุล ในวิชาเคมีเบื้องต้นส่วนใหญ่ เราจะทำนายรูปร่างนี้ด้วยทฤษฎี VSEPR: โดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางผลักกัน จึงจัดเรียงตัวให้ห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

วิธีคิดแบบเร็วคือ ให้นับโดเมนอิเล็กตรอนก่อน แล้วแยก เรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอน ออกจาก เรขาคณิตโมเลกุล คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวไม่ใช่อะตอม แต่ยังคงกินที่ว่าง จึงสามารถเปลี่ยนรูปร่างและมุมพันธะได้

VSEPR ทำนายเรขาคณิตโมเลกุลอย่างไร

VSEPR ย่อมาจาก Valence Shell Electron Pair Repulsion แบบจำลองนี้มองว่าบริเวณความหนาแน่นอิเล็กตรอนแต่ละบริเวณรอบอะตอมกลางเป็นหนึ่งโดเมน ซึ่งจะผลักกับโดเมนอื่น

สำหรับการนับแบบพื้นฐานใน VSEPR:

• พันธะเดี่ยวหนึ่งพันธะนับเป็นหนึ่งโดเมน
• พันธะคู่หนึ่งพันธะนับเป็นหนึ่งโดเมน
• พันธะสามหนึ่งพันธะนับเป็นหนึ่งโดเมน
• คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวหนึ่งคู่นับเป็นหนึ่งโดเมน

ประเด็นสุดท้ายนี่คือสิ่งที่นักเรียนมักพลาด โมเลกุลสองชนิดอาจมีจำนวนโดเมนอิเล็กตรอนรวมเท่ากัน แต่มีเรขาคณิตโมเลกุลต่างกันได้ ถ้าโมเลกุลหนึ่งมีคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว แต่อีกโมเลกุลไม่มี

รูปร่างเรขาคณิตโมเลกุลที่พบบ่อย

ตารางนี้ครอบคลุมรูปร่างที่พบบ่อยที่สุดในวิชาเคมีปีหนึ่ง:

โดเมนอิเล็กตรอนบนอะตอมกลาง	คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวบนอะตอมกลาง	เรขาคณิตโมเลกุล	ตัวอย่างที่พบบ่อย
2	0	เชิงเส้น	$CO_2$
3	0	สามเหลี่ยมแบนราบ	$BF_3$
3	1	งอ	$SO_2$
4	0	ทรงสี่หน้า	$CH_4$
4	1	พีระมิดฐานสามเหลี่ยม	$NH_3$
4	2	งอ	$H_2O$
5	0	ไตรโกนัลไบพีระมิด	$PCl_5$
5	1	คานหก	$SF_4$
5	2	รูปตัว T	$ClF_3$
5	3	เชิงเส้น	$XeF_2$
6	0	ออกตะฮีดรัล	$SF_6$
6	1	พีระมิดฐานสี่เหลี่ยม	$BrF_5$
6	2	สี่เหลี่ยมจัตุรัสระนาบ	$XeF_4$

รูปแบบเหล่านี้เป็นแบบแผน VSEPR ที่พบบ่อย ไม่ใช่กฎที่ใช้ได้สมบูรณ์กับทุกโมเลกุล VSEPR ใช้ได้ดีที่สุดเป็นแบบจำลองเริ่มต้นสำหรับโมเลกุลของธาตุหมู่หลักและไอออนหลายอะตอมจำนวนมาก

เรขาคณิตอิเล็กตรอน vs เรขาคณิตโมเลกุล

ความแตกต่างข้อนี้ทำให้ตอบผิดกันบ่อยมาก

เรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอนอธิบายการจัดเรียงของโดเมนอิเล็กตรอน ทั้งหมด รอบอะตอมกลาง รวมถึงคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวด้วย ส่วนเรขาคณิตโมเลกุลอธิบายการจัดเรียงของ อะตอมเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น $H_2O$ มีโดเมนอิเล็กตรอนรอบออกซิเจน 4 โดเมน ดังนั้นเรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอนของมันจึงเป็นทรงสี่หน้า แต่มีเพียง 2 โดเมนเท่านั้นที่เป็นอะตอมซึ่งเกิดพันธะกับออกซิเจน ดังนั้นเรขาคณิตโมเลกุลของมันจึงเป็นแบบงอ

ตัวอย่างทำโจทย์: ทำไมน้ำจึงมีรูปร่างงอ

ใช้ $H_2O$ เป็นกรณีตัวอย่าง

ขั้นแรก วาดโครงสร้างลิวอิส ออกซิเจนเป็นอะตอมกลาง เกิดพันธะกับไฮโดรเจน 2 อะตอม และมีคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว 2 คู่

จากนั้นนับโดเมนอิเล็กตรอนรอบออกซิเจน:

• พันธะ $O-H$ สองพันธะ
• คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวสองคู่

ดังนั้นจึงมี โดเมนอิเล็กตรอน 4 โดเมน

โดเมนอิเล็กตรอน 4 โดเมนให้ เรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอนแบบทรงสี่หน้า ถ้าทั้ง 4 โดเมนเป็นคู่พันธะ รูปร่างโมเลกุลก็จะเป็นทรงสี่หน้าเช่นกัน เหมือน $CH_4$ แต่ในน้ำนั้น 2 โดเมนเป็นคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว

ดังนั้นเรขาคณิตโมเลกุลจึงเป็น แบบงอ ไม่ใช่ทรงสี่หน้า

สิ่งนี้ยังอธิบายมุมพันธะได้ด้วย มุมทรงสี่หน้าในอุดมคติมีค่าประมาณ $109.5^\circ$ แต่มุม $H-O-H$ ในน้ำมีค่าน้อยกว่า คือประมาณ $104.5^\circ$ ในแบบจำลอง VSEPR คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวผลักแรงกว่าคู่พันธะ จึงดันให้พันธะ $O-H$ ทั้งสองเข้ามาใกล้กันมากขึ้น

ตัวอย่างเดียวนี้สรุปแนวคิดหลักได้ครบ: เรขาคณิตขึ้นอยู่ทั้งกับจำนวนโดเมนอิเล็กตรอนทั้งหมด และจำนวนโดเมนที่เป็นคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว

วิธีหาเรขาคณิตโมเลกุลทีละขั้น

ใช้ลำดับนี้กับโจทย์เบื้องต้นส่วนใหญ่:

1. วาดโครงสร้างลิวอิสที่สมเหตุสมผล
2. ระบุอะตอมกลาง
3. นับโดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางนั้น
4. ระบุเรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอนจากจำนวนโดเมน
5. เมื่อตั้งชื่อเรขาคณิตโมเลกุล ให้ไม่นับคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว แต่ห้ามมองข้ามคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวเมื่ออธิบายแรงผลักและมุมพันธะ

ถ้าโครงสร้างลิวอิสผิด เรขาคณิตก็มักจะผิดตามไปด้วย VSEPR เริ่มจากโครงสร้าง ไม่ใช่เริ่มจากการท่องตารางรูปร่างเพียงอย่างเดียว

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์ VSEPR

นับพันธะหลายเป็นมากกว่าหนึ่งโดเมน

ใน VSEPR พันธะคู่หรือพันธะสามยังคงนับเป็นโดเมนอิเล็กตรอนหนึ่งโดเมนรอบอะตอมกลาง แม้ว่าความหนาแน่นอิเล็กตรอนจะกระจายต่างกัน แต่สำหรับการนับเรขาคณิตพื้นฐานก็ยังถือเป็นหนึ่งบริเวณ

สับสนระหว่างเรขาคณิตอิเล็กตรอนกับเรขาคณิตโมเลกุล

นี่คือเหตุผลที่นักเรียนมักเรียกน้ำว่าเป็นทรงสี่หน้า น้ำเป็นทรงสี่หน้าเฉพาะในแง่ของเรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอนเท่านั้น ส่วนเรขาคณิตโมเลกุลของมันเป็นแบบงอ

มองข้ามคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว

คู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวไม่ปรากฏเป็นอะตอมในชื่อรูปร่างสุดท้าย แต่มีผลอย่างมากต่อเรขาคณิต และมักทำให้มุมพันธะเล็กกว่าค่าอุดมคติ

มองว่า VSEPR ให้คำตอบแม่นยำทุกกรณี

VSEPR ให้การทำนายเบื้องต้นที่มีประโยชน์ โดยเฉพาะกับสารของธาตุหมู่หลักหลายชนิด แต่จะเชื่อถือได้น้อยลงเมื่อการเกิดพันธะซับซ้อนมากขึ้น เช่น ในสารประกอบของโลหะทรานซิชันจำนวนมาก หรือกรณีที่ต้องใช้ภาพออร์บิทัลที่ละเอียดกว่า

เรขาคณิตโมเลกุลสำคัญเมื่อใด

เรขาคณิตโมเลกุลใช้ทำนายมุมพันธะ สภาพขั้ว และแนวโน้มการเกิดปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังช่วยอธิบายได้ว่าทำไมโมเลกุลที่มีอะตอมเหมือนกันจึงมีสมบัติต่างกันได้ หากรูปร่างต่างกัน

ตัวอย่างเช่น รูปร่างช่วยให้คุณวิเคราะห์ได้ว่าไดโพลของพันธะจะหักล้างกันหรือไม่ โมเลกุลมีแนวโน้มจะเป็นโมเลกุลมีขั้วหรือไม่ และอะตอมจัดวางตัวอย่างไรสำหรับแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลหรือการเกิดปฏิกิริยา

ลองกับโมเลกุลที่คล้ายกัน

ลองทำด้วยตัวเองกับ $NH_3$ หรือ $CO_2$ วาดโครงสร้างลิวอิส นับโดเมนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลาง แล้วระบุทั้งเรขาคณิตโดเมนอิเล็กตรอนและเรขาคณิตโมเลกุล

ถ้าอยากลองต่ออีกขั้น ให้เปรียบเทียบรูปร่างที่ได้กับสภาพขั้วของโมเลกุล และถามว่าไดโพลของพันธะหักล้างกันหรือไม่