อธิบายสภาพขั้วของพันธะและโมเมนต์ขั้วคู่ พร้อมเครื่องมือตรวจฟรี
คำตอบสั้น ๆ: พันธะมีขั้วเมื่ออะตอมทั้งสองมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่างกัน เมื่อใช้ค่าของ Pauling ΔEN ต่ำกว่า 0.4 เป็นโคเวเลนต์ไม่มีขั้ว 0.4 ถึง 1.7 เป็นโคเวเลนต์มีขั้ว และสูงกว่า 1.7 มักเป็นไอออนิก อะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าเป็น δ− โมเลกุลมีขั้วเมื่อไดโพลของพันธะไม่หักล้างกัน ซึ่งขึ้นกับรูปร่างตาม VSEPR: H₂O (มุมงอ) มีขั้ว 1.85 D ส่วน CO₂ (เส้นตรง) ไม่มีขั้ว เครื่องมือตรวจสภาพขั้วของพันธะและโมเมนต์ขั้วคู่ของ MolDraw ที่ใช้ฟรีคำนวณได้ทั้งสองอย่าง
สภาพขั้วของพันธะและอิเล็กโทรเนกาติวิตี
อิเล็กโทรเนกาติวิตี (χ) คือแรงดึงที่อะตอมมีต่ออิเล็กตรอนในพันธะ ในสเกลของ Pauling ฟลูออรีนสูงที่สุดที่ 3.98 ตามด้วยออกซิเจน 3.44 คลอรีน 3.16 และไนโตรเจน 3.04 คาร์บอน 2.55 และไฮโดรเจน 2.20
ในพันธะระหว่างอะตอมต่างชนิดกัน อิเล็กตรอนจะอยู่ใกล้อะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่านานกว่า อะตอมนั้นจึงมีประจุลบบางส่วน (δ−) และอีกอะตอมมีประจุบวกบางส่วน (δ+) การแยกประจุนี้คือไดโพลของพันธะ
| ΔEN น้อยกว่า 0.4 | โคเวเลนต์ไม่มีขั้ว ตัวอย่าง: Cl–Cl (0), C–H (0.35) |
|---|---|
| ΔEN 0.4 ถึง 1.7 | โคเวเลนต์มีขั้ว ตัวอย่าง: C–O (0.89), H–Cl (0.96), O–H (1.24) |
| ΔEN 1.7 ถึง 2.0 | ก้ำกึ่ง ตำราส่วนใหญ่ระบุว่าเป็นไอออนิกเมื่อเกิน 1.7 บางเล่มว่าเกิน 2.0 H–F (1.78) เป็นโมเลกุลโคเวเลนต์ |
| ΔEN สูงกว่า 2.0 | ไอออนิก ตัวอย่าง: Na–Cl (2.23), K–F (3.16) |
ร้อยละลักษณะไอออนิกประมาณได้ด้วยสูตรของ Pauling: % ไอออนิก = (1 − e^(−ΔEN²/4)) × 100 ΔEN 1.7 ให้ลักษณะไอออนิกประมาณ 51% ซึ่งเป็นที่มาของเกณฑ์ 1.7
โมเลกุลมีขั้วเมื่อใด
ไดโพลของพันธะเป็นเวกเตอร์ ให้รวมโดยใช้รูปร่าง 3 มิติของโมเลกุล:
- วาดโครงสร้างลิวอิสและหารูปร่างด้วย VSEPR
- วาดลูกศรไดโพลบนทุกพันธะที่มีขั้ว ชี้ไปยังอะตอม δ−
- รวมลูกศร หากหักล้างกัน โมเลกุลไม่มีขั้ว หากไม่หักล้าง โมเลกุลมีขั้ว
การทดสอบอย่างง่าย: โมเลกุลไม่มีขั้วเมื่ออะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและอะตอมรอบนอกเหมือนกันทั้งหมด (CO₂, BF₃, CCl₄, PCl₅, SF₆) มีสองรูปร่างที่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวแต่ยังสมมาตรและไม่มีขั้ว: เส้นตรง AX₂E₃ (XeF₂) และสี่เหลี่ยมแบนราบ AX₄E₂ (XeF₄) อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวในรูปร่างอื่น (NH₃, H₂O, SF₄, ClF₃) หรืออะตอมรอบนอกที่ต่างกัน (CHCl₃, CH₂Cl₂) ทำให้มีไดโพลสุทธิ
วิธีใช้เครื่องมือตรวจสภาพขั้วของพันธะและโมเมนต์ขั้วคู่
- เปิดเครื่องมือตรวจสภาพขั้วของพันธะและโมเมนต์ขั้วคู่
- ใน พันธะ: ธาตุสองชนิด ให้เลือก ธาตุ A และ ธาตุ B หรือกดตัวอย่าง เช่น H–Cl, C–O หรือ Na–Cl ผลลัพธ์แสดง ΔEN ชนิดพันธะบนแถบสี อะตอมใดเป็น δ− และร้อยละลักษณะไอออนิกพร้อมวิธีคำนวณ สลับ A และ B จะกลับคู่ธาตุ
- สลับไปที่ โมเลกุล: มีขั้วหรือไม่มีขั้ว? พิมพ์สูตร เช่น
XeF4หรือสตริง SMILES เช่นCl/C=C\Clแล้วกด ตรวจสภาพขั้ว หรือกดตัวอย่าง - อ่านรูปร่าง เรขาคณิตของอิเล็กตรอน มุมพันธะ ผลรวมเวกเตอร์ของไดโพลพันธะ และโมเมนต์ขั้วคู่ที่วัดได้เป็นเดอบาย (หากมีข้อมูล)
- ภาพวาดแสดง δ+ และ δ− บนแต่ละอะตอม ลูกศรสีม่วงบนแต่ละพันธะที่มีขั้ว และลูกศรไดโพลสุทธิสีเขียวอมฟ้าเมื่อโมเลกุลมีขั้ว พันธะเส้นประชี้ออกห่างจากคุณ
- รายการ Reasoning อธิบายแต่ละขั้น คุณจึงคัดลอกตรรกะไปใช้ในคำตอบได้
ตัวอย่างโจทย์
1. พันธะ H–Cl
ΔEN = 3.16 − 2.20 = 0.96 พันธะจึงเป็นโคเวเลนต์มีขั้ว โดย Cl เป็น δ− และ H เป็น δ+ % ไอออนิก = (1 − e^(−0.2304)) × 100 = 20.6% HCl มีโมเมนต์ขั้วคู่ 1.11 D
2. น้ำ H₂O
O มีอะตอมที่สร้างพันธะ 2 อะตอมและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่: AX₂E₂ มุมงอ 104.5° พันธะ O–H แต่ละพันธะมี ΔEN = 1.24 โดย O เป็น δ− ไดโพลทั้งสองชี้ไปทางเดียวกันบางส่วน จึงรวมกัน น้ำมีขั้ว 1.85 D
3. CCl₄ และ CHCl₃
ทั้งคู่เป็นทรงสี่หน้า ใน CCl₄ ไดโพลของ C–Cl ทั้งสี่ (ΔEN 0.61) หักล้างกัน: ไม่มีขั้ว 0 D ใน CHCl₃ Cl หนึ่งอะตอมถูกแทนด้วย H ไดโพลจึงไม่หักล้างกันอีก: มีขั้ว 1.04 D
4. SF₄ และ XeF₄
SF₄ เป็น AX₄E รูปไม้กระดก: ไดโพลของ S–F ไม่หักล้างกัน จึงมีขั้ว (0.63 D) XeF₄ เป็น AX₄E₂ สี่เหลี่ยมแบนราบโดยมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวสองคู่อยู่ตรงข้ามกัน: ไดโพลของ Xe–F หักล้างกัน จึงไม่มีขั้ว
5. cis- และ trans-1,2-ไดคลอโรอีทีน
ทั้งคู่แบนราบ ในไอโซเมอร์ cis ไดโพลของ C–Cl ทั้งสองชี้ไปด้านเดียวกัน: มีขั้ว 1.90 D ในไอโซเมอร์ trans ชี้ไปทางตรงข้ามและหักล้างกัน: ไม่มีขั้ว 0 D ความต่างนี้เป็นเหตุให้ไอโซเมอร์ cis มีจุดเดือดสูงกว่า (60 °C) ไอโซเมอร์ trans (48 °C)
ตารางสรุป
| H₂O | มุมงอ (AX₂E₂): มีขั้ว 1.85 D |
|---|---|
| NH₃ | พีระมิดฐานสามเหลี่ยม (AX₃E): มีขั้ว 1.47 D |
| CO₂ | เส้นตรง (AX₂): ไม่มีขั้ว 0 D |
| BF₃ | สามเหลี่ยมแบนราบ (AX₃): ไม่มีขั้ว |
| CCl₄ | ทรงสี่หน้า อะตอมเหมือนกัน: ไม่มีขั้ว |
| CHCl₃, CH₂Cl₂ | ทรงสี่หน้า อะตอมต่างกัน: มีขั้ว 1.04 D และ 1.60 D |
| SO₂ | มุมงอ (AX₂E): มีขั้ว 1.63 D |
| SF₄ | ไม้กระดก (AX₄E): มีขั้ว 0.63 D |
| XeF₄ | สี่เหลี่ยมแบนราบ (AX₄E₂): ไม่มีขั้ว |
| PCl₅ | พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม (AX₅): ไม่มีขั้ว |
ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย
- คิดว่าพันธะมีขั้วต้องให้โมเลกุลมีขั้วเสมอ สมมาตรสามารถหักล้างไดโพลได้
- ตัดสินรูปร่างจากภาพวาดแบนราบ CH₂Cl₂ ที่วาดเป็นกากบาทแบนดูสมมาตร แต่จริง ๆ เป็นทรงสี่หน้าและมีขั้ว
- ลืมอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบนอะตอมกลาง ซึ่งเปลี่ยนรูปร่าง
- ชี้ลูกศรไดโพลไปยังอะตอม δ+
- ถือว่า 0.4 และ 1.7 เป็นเส้นแบ่งที่ชัดเจน ลักษณะพันธะเปลี่ยนไปอย่างต่อเนื่องตาม ΔEN
- เรียกสารประกอบทุกตัวที่มี ΔEN เกิน 1.7 ว่าไอออนิก H–F เป็นโมเลกุลโคเวเลนต์ พันธะระหว่างอโลหะสองชนิดยังคงเป็นโคเวเลนต์
เคล็ดลับการสอบ (JEE, NEET, AP, A-level)
- ระบุรูปร่างก่อนเสมอ แล้วจึงบอกว่าไดโพลหักล้างกันหรือไม่
- JEE และ NEET มักถามลำดับโมเมนต์ขั้วคู่ เช่น NH₃ (1.47 D) > NF₃ (0.24 D): ใน NH₃ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวกับไดโพลของพันธะชี้ไปทางเดียวกัน ส่วนใน NF₃ ชี้ไปทางตรงข้ามกัน
- AP Chemistry เชื่อมโยงสภาพขั้วกับแรงระหว่างโมเลกุล: โมเลกุลมีขั้วมีแรงไดโพล–ไดโพลและมักมีจุดเดือดสูงกว่า
- คำตอบระดับ A-level เรื่องไอโซเมอร์ cis/trans ควรระบุว่าไอโซเมอร์ trans ไม่มีขั้วเพราะไดโพลของ C–Cl หักล้างกัน
- ระบุ ΔEN เป็นทศนิยมสองตำแหน่งโดยใช้ค่าของ Pauling ที่ให้ไว้ในเอกสารข้อมูลของคุณ
คำถามและคำตอบ
ผลต่างอิเล็กโทรเนกาติวิตีเท่าใดทำให้พันธะมีขั้ว
เมื่อใช้ค่าของ Pauling ผลต่าง 0.4 ขึ้นไปทำให้เป็นพันธะโคเวเลนต์มีขั้ว ต่ำกว่า 0.4 ถือว่าไม่มีขั้ว สูงกว่าประมาณ 1.7 มักเรียกว่าพันธะไอออนิก แม้บางตำราจะใช้ 2.0
โมเมนต์ขั้วคู่คืออะไร
โมเมนต์ขั้วคู่วัดว่าศูนย์กลางประจุบวกและประจุลบของโมเลกุลอยู่ห่างกันเท่าใด มีค่าเท่ากับประจุคูณระยะทาง หน่วยเป็นเดอบาย (D) น้ำมี 1.85 D ส่วน CO2 มี 0 D
ลูกศรไดโพลชี้ไปทางใด
ในเคมี ลูกศรชี้ไปยังอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า คือปลาย δ− และมีขีดกากบาทเล็ก ๆ ที่ปลาย δ+ ส่วนฟิสิกส์ใช้ทิศตรงข้ามสำหรับเวกเตอร์ไดโพล
โมเลกุลที่มีพันธะมีขั้วอาจไม่มีขั้วได้หรือไม่
ได้ หากไดโพลของพันธะจัดเรียงแบบสมมาตรก็จะหักล้างกัน CO2 (เส้นตรง) BF3 (สามเหลี่ยมแบนราบ) CCl4 (ทรงสี่หน้า) PCl5 และ SF6 ล้วนมีพันธะมีขั้วแต่ไม่มีไดโพลสุทธิ
ทำไม NH3 มีขั้วแต่ BF3 ไม่มีขั้ว
NH3 มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบน N ทำให้มีรูปร่างพีระมิดฐานสามเหลี่ยม ไดโพลของ N–H จึงไม่หักล้างกัน BF3 ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบน B และเป็นสามเหลี่ยมแบนราบ ไดโพลของ B–F ทั้งสามจึงหักล้างกัน
ทำไม SO2 มีขั้วแต่ CO2 ไม่มีขั้ว
SO2 มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบนกำมะถันและเป็นรูปมุมงอ (ประมาณ 119°) ไดโพลของ S=O จึงรวมกันได้ 1.63 D ส่วน CO2 ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวบนคาร์บอนและเป็นเส้นตรง ไดโพลของ C=O ทั้งสองจึงหักล้างกัน
HCl มีร้อยละลักษณะไอออนิกเท่าใด
ใช้สูตรของ Pauling กับ ΔEN = 0.96: % ไอออนิก = (1 − e^(−0.96²/4)) × 100 = (1 − e^(−0.23)) × 100 = 20.6% จากโมเมนต์ขั้วคู่ที่วัดได้ HCl มีลักษณะไอออนิกประมาณ 18% ค่าประมาณจึงใกล้เคียง