ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์อธิบายว่าพันธะโคเวเลนต์เกิดจากการซ้อนทับกันของออร์บิทัลอะตอมบนอะตอมข้างเคียงกัน ในภาพพื้นฐานที่มักใช้ในบทเรียนเบื้องต้น อิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดพันธะจะอยู่เฉพาะที่เป็นหลักระหว่างนิวเคลียสทั้งสอง จึงช่วยอธิบายทิศทางของพันธะ พันธะ $\sigma$ พันธะ $\pi$ และการไฮบริไดซ์ได้

ถ้าจะจำไว้เพียงคำถามเดียว ให้จำคำถามนี้: ออร์บิทัลใดกำลังซ้อนทับกันเพื่อสร้างพันธะ? คำถามนี้มักพาคุณเข้าใกล้ความเข้าใจทางเคมีมากกว่าการวาดเส้นเชื่อมระหว่างอะตอมสองอะตอมแล้วหยุดแค่นั้น

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์กล่าวว่าอย่างไร

ในเคมีเบื้องต้น ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์มักเน้น 3 แนวคิดหลัก:

• พันธะโคเวเลนต์เกิดจากการซ้อนทับของออร์บิทัลอะตอม
• อิเล็กตรอนที่ทำให้เกิดพันธะถือว่าอยู่เฉพาะที่เป็นหลักระหว่างอะตอมสองอะตอม
• ชนิดของพันธะและทิศทางของพันธะขึ้นอยู่กับการซ้อนทับกันของออร์บิทัลในอวกาศ

นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมรูปร่างของออร์บิทัลจึงสำคัญ การซ้อนทับแบบเผชิญหน้ากันให้พันธะ $\sigma$ ส่วนการซ้อนทับแบบด้านข้างของออร์บิทัล $p$ ที่ไม่ไฮบริไดซ์และขนานกันจะให้พันธะ $\pi$

ทำไมการซ้อนทับของออร์บิทัลจึงสำคัญ

การซ้อนทับไม่ได้มีประสิทธิภาพเท่ากันทุกแบบ การซ้อนทับที่มีประสิทธิภาพมากกว่ามักหมายถึงความหนาแน่นอิเล็กตรอนระหว่างนิวเคลียสมากขึ้น และภายใต้แบบจำลองนี้ก็หมายถึงอันตรกิริยาการยึดเหนี่ยวที่แข็งแรงกว่า

ทิศทางก็สำคัญเช่นกัน เพราะออร์บิทัลชี้ไปในทิศทางเฉพาะ ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์จึงช่วยอธิบายได้ว่าทำไมพันธะโคเวเลนต์จำนวนมากจึงมีรูปร่างที่คาดเดาได้ แทนที่จะจัดเรียงแบบสุ่ม

ตัวอย่างคำนวณ: เอทีน และเหตุใดพันธะคู่จึงมีสองส่วน

เอทีน, $C_2H_4$, เป็นตัวอย่างที่ดีมาก เพราะแสดงทั้งการไฮบริไดซ์และการซ้อนทับของออร์บิทัลในโมเลกุลเดียว

ในทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ระดับเบื้องต้น คาร์บอนแต่ละอะตอมในเอทีนมักอธิบายว่าเกิดการไฮบริไดซ์แบบ $sp^2$ ทำให้คาร์บอนแต่ละอะตอมมีออร์บิทัล $sp^2$ สามออร์บิทัลอยู่ในระนาบเดียวกัน และมีออร์บิทัล $p$ ที่ไม่ไฮบริไดซ์อีกหนึ่งออร์บิทัลตั้งฉากกับระนาบนั้น

จากนั้นภาพของการเกิดพันธะคือ:

• ออร์บิทัล $sp^2$ หนึ่งออร์บิทัลจากคาร์บอนอะตอมหนึ่งซ้อนทับแบบเผชิญหน้ากับออร์บิทัล $sp^2$ ของคาร์บอนอีกอะตอมหนึ่ง เกิดเป็นพันธะ $\sigma$ ของ $C-C$
• ออร์บิทัล $sp^2$ ที่เหลือบนคาร์บอนแต่ละอะตอมซ้อนทับกับออร์บิทัล $1s$ ของไฮโดรเจน เกิดเป็นพันธะ $\sigma$ ของ $C-H$ ทั้งสี่พันธะ
• ออร์บิทัล $p$ ที่ไม่ไฮบริไดซ์บนคาร์บอนทั้งสองอะตอมซ้อนทับกันแบบด้านข้าง เกิดเป็นพันธะ $\pi$ หนึ่งพันธะ

ดังนั้นพันธะคู่คาร์บอน-คาร์บอนในเอทีนจึงไม่ใช่พันธะสองพันธะที่เหมือนกัน แต่เป็นพันธะ $\sigma$ หนึ่งพันธะบวกกับพันธะ $\pi$ หนึ่งพันธะ นี่คือคำอธิบายแบบทฤษฎีพันธะเวเลนซ์โดยตรงของทั้งชนิดของพันธะและเรขาคณิตของโมเลกุล

การไฮบริไดซ์เข้ามาเกี่ยวข้องอย่างไร

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์พื้นฐานสามารถอธิบายการซ้อนทับอย่างง่าย เช่น $1s-1s$ หรือ $p-p$ ได้ แต่สำหรับหลายโมเลกุล เพียงเท่านี้ยังไม่พอที่จะอธิบายมุมพันธะที่สังเกตได้

การไฮบริไดซ์เป็นการขยายแบบจำลอง โดยยอมให้ออร์บิทัลบนอะตอมเดียวกันผสมกันก่อนเกิดพันธะ ในภาพนี้ สัญลักษณ์อย่าง $sp$, $sp^2$ และ $sp^3$ ช่วยอธิบายการจัดเรียงพันธะแบบเส้นตรง แบบสามเหลี่ยมระนาบ และแบบทรงสี่หน้า ซึ่งพบได้บ่อย

ในบริบทของวิชาเคมีพื้นฐานส่วนใหญ่ การไฮบริไดซ์ถูกสอนเป็นส่วนหนึ่งของกรอบทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ที่กว้างกว่า มันเป็นแบบจำลองที่ใช้เพื่ออธิบายรูปแบบการเกิดพันธะ ไม่ใช่ทฤษฎีแยกต่างหากที่มาแข่งขันกัน

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ เทียบกับ ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุล

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์และทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลต่างก็ใช้อธิบายพันธะโคเวเลนต์ แต่เน้นภาพคนละแบบ

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์มุ่งที่พันธะเฉพาะที่ระหว่างคู่อะตอมที่กำหนด ส่วนทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลใช้ออร์บิทัลที่อาจแผ่ขยายไปทั่วทั้งโมเลกุล สำหรับโจทย์เบื้องต้นจำนวนมาก ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ให้ภาพเฉพาะที่ที่รวดเร็ว แต่ถ้าอิเล็กตรอนมีการกระจายตัวแบบไม่เฉพาะที่อย่างเด่นชัด ทฤษฎีออร์บิทัลโมเลกุลมักอธิบายการกระจายตัวนั้นได้เป็นธรรมชาติมากกว่า

ไม่ควรมองว่าแบบจำลองใดแบบจำลองหนึ่งเป็นภาษาที่ถูกต้องเพียงแบบเดียวสำหรับทุกโมเลกุล แบบจำลองที่เหมาะกว่าขึ้นอยู่กับว่าคุณกำลังพยายามอธิบายลักษณะใด

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

มองทฤษฎีนี้เป็นเพียงโครงสร้างลิวอิสที่เปลี่ยนคำเรียกใหม่

ประเด็นสำคัญไม่ใช่แค่เส้นพันธะเพียงอย่างเดียว แต่คือการซ้อนทับของออร์บิทัลที่ทำให้เกิดความหนาแน่นอิเล็กตรอนสำหรับการยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม

คิดว่าโมเลกุลทุกชนิดอธิบายได้ดีที่สุดด้วยพันธะที่เฉพาะที่อย่างสมบูรณ์

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ทำงานได้ดีที่สุดในฐานะแบบจำลองพันธะเฉพาะที่ ถ้าโมเลกุลมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนแบบไม่เฉพาะที่สูง ภาพที่เป็นเฉพาะที่ล้วน ๆ อาจพลาดพฤติกรรมสำคัญไป

ลืมเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับพันธะ $\pi$

พันธะ $\pi$ ต้องการออร์บิทัล $p$ ที่ไม่ไฮบริไดซ์และขนานกัน เพื่อให้ซ้อนทับกันแบบด้านข้างได้ ถ้าไม่มีเรขาคณิตแบบนั้น ภาพของพันธะ $\pi$ ตามปกติก็ใช้ไม่ได้

มองการไฮบริไดซ์เป็นทฤษฎีแยกต่างหาก

ในรายวิชาเบื้องต้นส่วนใหญ่ การไฮบริไดซ์เป็นส่วนขยายภายในทฤษฎีพันธะเวเลนซ์ ไม่ใช่ทฤษฎีที่ไม่เกี่ยวข้องกันโดยสิ้นเชิง

เมื่อนักเคมีใช้ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์

ทฤษฎีพันธะเวเลนซ์มีประโยชน์เป็นพิเศษเมื่อคุณต้องการอธิบาย:

• ทำไมพันธะโคเวเลนต์จึงเกิดขึ้นระหว่างอะตอมสองอะตอม
• ทำไมพันธะนั้นจึงเป็นพันธะ $\sigma$ หรือพันธะ $\pi$
• ทำไมการเกิดพันธะจึงมีทิศทาง
• ทำไมการไฮบริไดซ์จึงช่วยอธิบายมุมพันธะในโมเลกุลทั่วไปจำนวนมากได้

มันใช้งานได้จริงที่สุดเมื่อโมเลกุลสามารถอธิบายได้ค่อนข้างดีด้วยพันธะเฉพาะที่และภาพแบบโครงสร้างลิวอิส นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมมันจึงปรากฏบ่อยมากในเคมีอินทรีย์เบื้องต้นและการอภิปรายเรื่องพันธะ

ลองกรณีที่คล้ายกัน

ลองทำเวอร์ชันของคุณเองกับอะเซทิลีน, $C_2H_2$ โดยถามว่าออร์บิทัลใดซ้อนทับกันเพื่อสร้างพันธะ $C-C$ มีพันธะ $\pi$ อยู่กี่พันธะ และทำไมเรขาคณิตจึงเป็นแบบเส้นตรง ถ้าคุณอยากต่อยอดอีกหนึ่งหัวข้อที่เชื่อมโยงกัน ให้ศึกษาเรื่องการไฮบริไดซ์ต่อ แล้วเปรียบเทียบ $sp$, $sp^2$ และ $sp^3$ ในฐานะแบบจำลองการเกิดพันธะ