ความหมายและตัวอย่างของพันธะมีขั้วในวิชาเคมี

มีพันธะเคมีพื้นฐานสามประเภทที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกัน ซึ่งได้แก่พันธะไอออนิกพันธะโควาเลนต์และพันธะโลหะ นอกจากนี้ พันธะโควาเลนต์สามารถแบ่งออกเป็นหลายชั้นโดยขึ้นอยู่กับจำนวนของอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับพันธะ ต้นกำเนิดของ อิเล็กตรอน (ไม่ว่าจะมาจากอะตอมใดอะตอมหนึ่งหรือทั้งสองอะตอม) และความสม่ำเสมอของการกระจายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบๆ แกนทั้งสอง . พันธะโพลาร์ถูกกำหนดให้เป็น พันธะโคเวเลนต์ประเภทหนึ่งที่อะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกันไม่เท่ากัน เพราะมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่างกัน

ต้องจำไว้ว่าพันธะโควาเลนต์คือพันธะที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนหนึ่งคู่หรือมากกว่านั้นใช้ร่วมกันระหว่างอะตอมสองอะตอม ซึ่งยึดพวกมันไว้ด้วยกัน

สาเหตุที่เรียกว่าพันธะมีขั้วคือ ในพันธะประเภทนี้ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะเลื่อนไปทางองค์ประกอบที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีมากกว่าเล็กน้อย ดังนั้นมันจึงได้รับประจุลบบางส่วน (แสดงด้วยสัญลักษณ์ δ-) ในขณะที่อะตอมอื่นได้รับ ประจุบวกบางส่วน (แสดงด้วยสัญลักษณ์ δ+) เมื่อมองในลักษณะนี้ การเชื่อมโยงคือไดโพลไฟฟ้า เนื่องจากมีขั้วบวกและขั้วลบ

พันธะมีขั้วและความแตกต่างของอิเล็กโตรเนกาติวิตี

ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของอะตอมคือตัวเลขที่แสดงถึงความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนเมื่อสร้างพันธะทางเคมีกับอะตอมอื่น คุณสมบัตินี้วัดจากมาตราส่วนตั้งแต่ 0.65 สำหรับแฟรนเซียมไปจนถึง 4.0 สำหรับฟลูออรีน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีประจุไฟฟ้าลบน้อยที่สุดและมากที่สุดตามลำดับ

อิเล็กโทรเนกาติวิตีมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับพันธะเคมี และอันที่จริง ในหลายกรณีเป็นตัวกำหนดประเภทของพันธะที่จะก่อตัวขึ้นระหว่างสองอะตอมของธาตุต่างๆ ถ้าความแตกต่างมีมาก พันธะจะเป็นไอออนิก และถ้ามีค่าน้อยมากหรือไม่มีความแตกต่างเลย พันธะจะเป็นโควาเลนต์ แต่ถ้าความแตกต่างนั้นอยู่ในระดับกลาง เราจะอยู่ในสถานะของพันธะขั้วโลก

แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามที่สำคัญมาก: คุณจะรู้ได้อย่างไรว่าความแตกต่างนั้นมากพอที่จะกำหนดพันธะไอออนิก หรือเล็กพอที่จะกำหนดพันธะโควาเลนต์บริสุทธิ์ได้

เนื่องจากลักษณะไอออนิกและโควาเลนต์ไม่เปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันแต่ค่อนข้างค่อยเป็นค่อยไป ขีดจำกัดระหว่างพันธะประเภทหนึ่งกับอีกประเภทหนึ่งจึงค่อนข้างคลุมเครือ อย่างไรก็ตาม นักเคมีได้กำหนดข้อตกลงต่อไปนี้เพื่อให้คำจำกัดความที่ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าพันธะโควาเลนต์มีขั้วคืออะไร:

พันธะขั้วโลกและโมเมนต์ไดโพล

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าพันธะมีขั้วเป็นไดโพลไฟฟ้า ไดโพลไฟฟ้ามีลักษณะเด่นด้วยสิ่งที่เรียกว่าไดโพลโมเมนต์ ซึ่งเป็นเวกเตอร์ที่แสดงด้วยอักษรกรีก μ (mu) ซึ่งชี้จากอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีน้อยกว่าไปยังอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาตีฟมากกว่า

ขนาดของไดโพลโมเมนต์กำหนดโดยผลคูณของประจุบนขั้วและความยาวของไดโพล (ในกรณีนี้คือความยาวของพันธะ) ในกรณีของพันธะขั้ว โมเมนต์ไดโพลจะแปรผันตรงกับความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างอะตอมที่มีพันธะทั้งสอง

พันธะที่มีขั้วและขั้ว

เมื่อโมเลกุลมีพันธะที่มีขั้วเพียงพันธะเดียว โมเลกุลทั้งหมดจะมีโมเมนต์ไดโพล และโมเลกุลนั้นจะถูกเรียกว่ามีขั้ว ความเป็นขั้วเป็นคุณสมบัติที่สำคัญมากในสารประกอบโมเลกุลเนื่องจากเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความสามารถในการละลายในตัวทำละลายต่างๆ จุดหลอมเหลวและจุดเดือด รวมถึงคุณสมบัติอื่นๆ

อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าการมีพันธะมีขั้วไม่ได้รับประกันว่าโมเลกุลจะมีขั้ว เมื่อโมเลกุลมีพันธะที่มีขั้วมากกว่าหนึ่งพันธะ ขั้วรวมของโมเลกุลจะได้รับจากผลรวมของโมเมนต์ไดโพลของพันธะที่มีขั้วทั้งหมด โมเมนต์ไดโพลเหล่านี้เพิ่มเป็นเวกเตอร์ ด้วยเหตุผลนี้ อาจเป็นกรณีที่ไดโพลโมเมนต์ของพันธะที่มีขั้วต่างกันหักล้างกัน และโมเลกุลในลักษณะดังกล่าวจะไม่มีขั้ว แม้ว่าจะมีพันธะที่มีขั้วก็ตาม หากไม่ยกเลิกโมเลกุลจะมีขั้ว

ตัวอย่างของพันธะมีขั้ว

ในกรณีส่วนใหญ่ พันธะขั้วโลกเกิดขึ้นระหว่างธาตุที่ไม่ใช่โลหะ ตามกฎทั่วไป ยิ่งห่างกันมากในตารางธาตุ ความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างอะตอมทั้งสองก็ยิ่งมากขึ้น และดังนั้น โมเมนต์ไดโพลของพันธะก็จะยิ่งมากขึ้น กล่าวคือ พันธะจะมีขั้วมากขึ้น

ต่อไปนี้คือตัวอย่างบางส่วนของพันธะมีขั้วที่เกิดขึ้นบ่อยมากในเคมีอินทรีย์:

พันธบัตร OH

สารประกอบโมเลกุลที่มีพันธะ OH มีอยู่มากมาย แน่นอนว่าสิ่งที่ฉาวโฉ่ที่สุดคือน้ำซึ่งมีสูตรโมเลกุลคือ H ₂ O และมีพันธะ OH สองพันธะ อย่างไรก็ตาม มีสารประกอบอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วนที่มีพันธะประเภทนี้ เช่น แอลกอฮอล์ ฟีนอล กรดคาร์บอกซิลิก และอื่นๆ อีกมากมาย

ความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างออกซิเจนและไฮโดรเจนคือ 1.24 ซึ่งทำให้ได้

ลิงค์ CO

พันธะ CO เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งที่พบได้บ่อยในสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด เช่น แอลกอฮอล์ อีเทอร์ กรด และอื่นๆ อีกมากมาย ความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างคาร์บอนและออกซิเจนคือ 0.89 พันธะนี้รับผิดชอบต่อขั้วของอีเทอร์ และมีส่วนรับผิดชอบต่อขั้วของสารประกอบอื่นๆ อีกมากมาย

ลิงค์ซีเอ็น

เอมีน เอไมด์ และสารประกอบอื่นๆ นับไม่ถ้วน รวมถึง DNA และโปรตีนทั้งหมดมีพันธะ CN หลายพันธะ ด้วยค่าความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีที่ 0.49 พันธะนี้จึงอยู่ใกล้กับเส้นเขตแดนระหว่างพันธะมีขั้วและพันธะโคเวเลนต์ที่ไม่มีขั้ว

เอ็นเอช ลิงค์

ความแตกต่างของอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างไนโตรเจนและไฮโดรเจนคือ 0.84 ทำให้เป็นพันธะที่มีขั้วค่อนข้างมาก ในความเป็นจริง โพลาไรเซชันของพันธะนี้หมายความว่าไฮโดรเจนที่จับกับไนโตรเจนสามารถเป็นส่วนหนึ่งของพันธะโควาเลนต์ชนิดพิเศษระหว่างนิวเคลียสสามนิวเคลียสที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบต่อคุณสมบัติหลายอย่างของสารประกอบที่สามารถก่อตัวขึ้นได้

C=O พันธบัตร

นี่เป็นตัวอย่างที่สำคัญเนื่องจากเน้นความจริงที่ว่าขั้วของพันธะโควาเลนต์เป็นแนวคิดที่เป็นอิสระจากลำดับพันธะ พันธะสามารถมีขั้วหรือไม่มีขั้วได้ ไม่ว่าจะเป็นพันธะเดี่ยว พันธะคู่ หรือพันธะสาม

จากมุมมองนี้ พันธะ C=O ยังคงเป็นขั้ว แม้ว่าจะเป็นพันธะคู่ก็ตาม อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างในขั้วเนื่องจากอิเล็กโทรเนกาติวิตีขององค์ประกอบขึ้นอยู่กับการผสมพันธุ์ ในกรณีนี้ ทั้งคาร์บอนและออกซิเจนจะถูกผสมด้วย sp ²ทำให้ทั้งคู่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากขึ้น แต่ก็ยังมีความแตกต่างในอิเล็กโทรเนกาติวิตี้ระหว่างทั้งสอง

HF Link – ข้อยกเว้นสำหรับกฎ

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ขอบเขตระหว่างอักขระโควาเลนต์และไอออนิกจะเบลอ และคำจำกัดความของพันธะมีขั้วในแง่ของความแตกต่างของอิเล็กโตรเนกาติวิตีอาจมีข้อยกเว้น หนึ่งที่พบบ่อยมากคือไฮโดรเจนฟลูออไรด์หรือ HF

สำหรับสารประกอบนี้ ความแตกต่างของอิเลคโตรเนกาติวิตีคือ 1.78 ตามคำจำกัดความก่อนหน้านี้ จะวาง HF ภายในสารประกอบไอออนิก อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทำให้สารประกอบไอออนิกหรือโควาเลนต์ไม่ได้เป็นเพียงความแตกต่างในด้านอิเล็กโทรเนกาติวิตีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารประกอบด้วย

พันธะไอออนิกมีลักษณะเฉพาะคือมีความแข็งแรงมากและโดยการสร้างของแข็งที่เป็นผลึกซึ่งมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงมาก อย่างไรก็ตาม HF เป็นก๊าซที่อุณหภูมิห้อง เนื่องจากจุดเดือดอยู่ที่ 19.5 ºC เท่านั้น เปรียบเทียบกับจุดเดือดของโซเดียมคลอไรด์ซึ่งเท่ากับ 1,465 ºC

นอกจากนี้ HF ยังประกอบด้วยอโลหะสองชนิดแทนที่จะเป็นอโลหะและโลหะ เช่นเดียวกับกรณีของสารประกอบไอออนิก ด้วยเหตุผลสองประการนี้HF จึงถูกพิจารณาว่าเป็นสารประกอบโควาเลนต์ที่มีขั้วแม้จะมีความแตกต่างสูงในด้านอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างไฮโดรเจนและฟลูออรีน

ลิงก์ SH – ข้อยกเว้นอื่น ๆ

พันธะ SH เป็นตัวอย่างของพันธะโควาเลนต์ที่ถือว่าเป็นขั้ว แม้ว่าจะไม่เป็นไปตามเงื่อนไขความแตกต่างของอิเล็กโตรเนกาติวิตีก็ตาม ในกรณีนี้ ความแตกต่างคือ 0.38 ซึ่งจะจัดให้อยู่ในกลุ่มของพันธะโควาเลนต์ไม่มีขั้ว อย่างไรก็ตาม นักเคมีเห็นพ้องต้องกันว่าพันธะดังกล่าวมีขั้ว