9. รูปร่างโมเลกุล

รูปร่างโมเลกุล สามารถทำนายได้จากแบบจำลองการผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงเวเลนซ์ (Valence Shell Electron Pair Repulsion Model : VSEPR) ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเกี่ยวข้องกับการเกิดพันธะเคมีและมีการจัดตัวให้ห่างกันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดแรงผลักระหว่างคู่อิเล็กตรอน โดยพิจารณาจากจำนวนอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางเฉพาะที่อยู่ในระดับพลังงานนอกสุด โดยแบ่งเป็นโมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวและโมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว  

รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ขึ้นอยู่กับ ทิศทางของพันธะโคเวเลนต์, ความยาวพันธะและมุมระหว่างพันธะโคเวเลนต์รอบอะตอมกลาง

ทิศทางของพันธะขึ้นอยู่กับ

• แรงผลักระหว่างพันธะรอบอะตอมกลาง เพื่อให้ห่างกันมากที่สุด

• แรงผลักของอิเล็กตรอนคู่อิสระของอะตอมกลางที่มีต่อพันธะรอบอะตอมกลางแรงนี้มีค่ามากกว่าแรงที่พันธะผลักกันเอง.

 

9.1  โมเลกุลที่อะตอมกลางไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

 พิจารณาโมเลกุลที่ประกอบไปด้วยอะตอม 2 ชนิด คือ A และB โดยกำหนดให้

·  A เป็นอะตอมกลาง

·   B เป็นอะตอมที่ล้อมรอบ

·   โมเลกุลมีสูตรทั่วไปเป็น  AB_x

ถ้าจำนวนอะตอมของ B ในสูตรทั่วไป AB_x จะทำให้มีรูปร่างแตกต่างกัน ดังนี้

คลิ๊กที่รูปเพื่อดูขนาดใหญ่

1)  รูปร่างเส้นตรง (Linear) : AB₂  เป็นรูปร่างของสารโคเวเลนต์ใด ๆ ที่มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 2 คู่ รอบอะตอมกลาง เพื่อให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนมีค่าน้อยที่สุด แต่ละคู่จึงอยู่ที่ปลายด้านตรงข้ามของแนวเส้นตรงมีมุมระหว่างพันธะ180^๐

2)  รูปร่างสามเหลี่ยมแบนราบ (Trigonal planar).: AB₃.เป็นรูปร่างของสารโคเวเลนต์ใด ๆ ที่อะตอมกลางมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 3 และเป็นอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะทั้งหมด (ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) พันธะผลักกันให้ห่างกันมากที่สุด ทำให้โมเลกุลเป็นรูปสามเหลี่ยมแบนราบ มีมุมระหว่างพันธะเป็น 120^๐

3)  รูปร่างทรงสี่หน้า (Tetarhedarl) : AB₄..เป็นรูปร่างของสารโคเวเลนต์ใด ๆ ที่ อะตอมกลางมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 4 และเป็นอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะทั้งหมด เกิดการผลักกันระหว่างพันธะเพื่อให้ห่างกันมากที่สุด ทำให้โมเลกุลมีรูปร่างเป็นรูปทรงสี่หน้า มีมุมระหว่างพันธะเป็น 109.5^๐

4)  รูปร่างพีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม (Trigonal bipyramidal) : AB₅ เป็นรูปร่างของสารโคเวเลนต์ใด ๆ ที่อะตอมกลางมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 5 และเป็นอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะทั้งหมด (ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) เกิดการผลักกันระหว่างพันธะเพื่อให้ห่างกันมากที่สุด ทำให้โมเลกุลมีรูปร่างเป็นรูป พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม มีมุมระหว่างพันธะเป็น 120^๐ และ 90^๐

         5)  ทรงแปดหน้า (Octahedral) : AB₆ เป็นรูปร่างของสารโคเวเลนต์ใด ๆ ที่อะตอมกลางมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 5 และเป็นอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะทั้งหมด (ไม่มีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) เกิดการผลักกันระหว่างพันธะเพื่อให้ห่างกันมากที่สุด ทำให้โมเลกุลมีรูปร่างเป็นรูปทรงแปดหน้า มีมุมระหว่างพันธะ 90

9.2  โมเลกุลที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

                ตามปกติอิเล็กตรอนแต่ละคู่จะออกแรงผลักกัน แรงผลักของอิเล็กตรอนแต่ละคู่จะไม่เท่ากัน ซึ่งสามารถเขียนแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนคู่ต่างๆ จากมากไปหาน้อยได้ดังนี้

กำหนดให้โมเลกุลมีสูตรทั่วไปเป็น  AB_xE_y

·       A เป็นอะตอมกลาง

·       B เป็นอะตอมที่ล้อมรอบอะตอมกลาง 

·       E แทนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว

โมเลกุลที่มีจำนวนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวแตกต่างกันจะมีรูปร่างต่างกัน ดังนี้

คลิ๊กที่รูปเพื่อดูขนาดใหญ่

1)  รูปร่างมุมงอ (Bent) : AB₂E  เช่น โมเลกุล NO₂^- เป็นรูปร่างที่อะตอมกลางมีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 3 คู่ และอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 1 คู่ การจัดให้อิเล็กตรอนทั้งหมดอยู่ห่างกันมากที่สุดจะมีรูปคล้ายสามเหลี่ยมแบนราบ แต่เนื่องจากมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวหนึ่งคู่ซึ่งมีแรงผลักมากกว่าแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะด้วยกัน จึงผลักพันธะ N-O เข้าใกล้กันมุมระหว่างพันธะ O-N-O จึงน้อยกว่า 120˚ จากการทดลองพบว่ามุม O-N-O เท่ากับ 119.5˚

2)  รูปร่างมุมงอ(Bent) : AB₂E₂ เช่น โมเลกุลของ H₂O เป็นรูปร่างที่อะตอมกลางมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 6 สร้างพันธะเดี่ยวกับอะตอมของ H  2 พันธะ จึงมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ (4 อะตอม) ซึ่งอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่นี้ จะมีแรงผลักอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะมากกว่าแรงผลักกันของอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ ทำให้มุมระหว่างพันธะ H-O มีค่าลดลงเหลือ 105º

          3)  รูปร่างพีระมิดฐานสามเหลี่ยม (Trigonal pyramidal) : AB₂E เช่น โมเลกุลของ NH₃ เป็นรูปร่างที่อะตอมกลางมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 5 สร้างพันธะเดี่ยวกับอะตอมของ H  3 พันธะ เหลืออิเล็กตรอนไม่ได้ร่วมพันธะ 1 คู่ (อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว) อิเล็กตรอนทั้ง 4 คู่รอบอะตอมกลาง (N) จะผลักกันให้ห่างกันมากที่สุด แต่เนื่องจากแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวกับอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ มีค่ามากกว่าแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะผลักกันเอง จึงทำให้มุมระหว่างพันธะ H – N ลดลงเหลือ 107.3^๐