การคาดคะเนรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์

ในการคาดคะเนรูปร่างของโมเลกุลโคเวเลนต์นั้นเราจะใช้ทฤษฎีการผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอนในวงเวเลนซ์ (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory หรือ VSEPR Theory)

ซึ่งโดยหลักแล้วจะดูจากจำนวนคู่อิเล็กตรอนที่อยู่รอบ ๆ อะตอมกลาง คู่อิเล็กตรอนจะมีสองแบบคือ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ อิเล็กตรอนเหล่านี้จะผลักกันเอง ทำให้มันห่างกันมากขึ้นเพื่อที่จะให้มีแรงผลักนี้น้อยที่สุด ก่อให้เกิดเป็นรูปร่างโมเลกุล

แรงผลักของคู่อิเล็กตรอนสามารถเรียงลำดับได้ดังนี้

สำหรับโมเลกุล AB_xE_y ถ้าให้

• A เป็นอะตอมกลาง
• B เป็นอะตอมล้อมรอบ
• x เป็นจำนวนอะตอมของ B
• E เป็นอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมกลาง
• y เป็นจำนวนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมกลาง (ในบางแหล่งอาจใช้ในรูป AX_nE_m ซึ่งมีความหมายเหมือนกัน)

รูปร่างของโมเลกุลจะเป็นดังข้างล่างนี้

สภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์

ในการดูสภาพขั้วของโมเลกุลโคเวเลนต์ เราจะดูที่พันธะโคเวเลนต์ในโมเลกุลก่อนว่าเป็น พันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว (non-polar covalent bond) หรือ พันธะโคเวเลนต์มีขั้ว (polar covalent bond)

• ถ้าอะตอมที่มาสร้างพันธะเป็นอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันหรือเป็นอะตอมของธาตุต่างชนิดกัน แต่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีเท่ากัน พันธะที่เกิดขึ้นจะเป็นพันธะโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว
• ถ้าอะตอมที่มาสร้างพันธะเป็นอะตอมของธาตุต่างชนิดกันและมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่างกัน พันธะที่เกิดขึ้นจะเป็นพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว

อะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงกว่าจะดึงดูดกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนได้ดีกว่าทำให้อะตอมนั้น ๆ มีประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบ ในทางกลับกันอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีต่ำกว่าจะดึงดูดกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนได้น้อยกว่าทำให้อะตอมนั้นมีประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก

ในพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว อะตอมที่มีประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก (partial positive charge) จะแสดงโดยใช้สัญลักษณ์ + (เดลต้าบวก) ส่วนอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบ (partial negative charge) จะแสดงโดยใช้สัญลักษณ์ - (เดลต้าลบ) หรือจะแสดงโดยใช้ลูกศรโดยให้หัวลูกศรชี้ไปในทิศของอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าค่อนข้างลบ และท้ายลูกศรที่มีลักษณะคล้ายเครื่องหมายบวกให้อยู่บริเวณอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าค่อนข้างบวก

ดังรูปข้างล่าง

โมเลกุลอะตอมคู่ของธาตุชนิดเดียวกันที่มีพันธะโคเวเลนต์ เช่น H₂, O₂, Cl₂ จะเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว (non-polar molecule) แต่โมเลกุลอะตอมคู่ของธาตุต่างชนิดกันที่มีพันธะโคเวเลนต์ เช่น HF, HCl, CO จะเป็นโมเลกุลมีขั้ว (polar molecule)

ส่วนโมเลกุลที่มีมากกว่า 2 อะตอมและพันธะระหว่างคู่อะตอมเป็นพันธะมีขั้ว เราจะดูจากการรวมสภาพขั้วของพันธะแบบเวกเตอร์ หากหักล้างกันหมดโมเลกุลก็จะเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว แต่ถ้าหักล้างกันไม่หมดโมเลกุลก็จะเป็นโมเลกุลมีขั้ว

ตัวอย่างเช่น

โมเลกุลของ CO₂ โมเลกุลมีรูปร่างเป็นเส้นตรง พันธะระหว่าง C กับ O เป็นพันธะมีขั้ว เวกเตอร์สภาพขั้วของพันธะ C=O ทั้งสองมีทิศทางตรงกันข้ามกันและหักล้างกันหมด

ดังนั้น  CO₂ จึงเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว

สิ่งที่น่าสังเกตอื่น ๆ คือ

1. โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว และมีอะตอมที่ล้อมรอบเป็นอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันทุกอะตอม โมเลกุลนั้นจะเป็นโมเลกุลไม่มีขั้ว ถึงแม้ว่าพันธะแต่ละพันธะจะเป็นพันธะมีขั้ว เพราะว่าเวกเตอร์สภาพขั้วของพันธะจะหักล้างกันหมด เช่น

2. โมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหรือมีอะตอมล้อมรอบเป็นธาตุต่างชนิดกัน ส่วนใหญ่จะเป็นโมเลกุลมีขั้ว เพราะว่าเวกเตอร์สภาพขั้วของพันธะจะหักล้างกันไม่หมด เช่น H₂O, NH₃, CHCl₃
3. โมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบางตัวไม่มีขั้ว เนื่องจากรูปร่างของโมเลกุลทำให้มีการหักล้างกันของเวกเตอร์สภาพขั้วได้หมด เช่น XeF₄, XeF₅^-, IF₅^-