สภาพขั้ว

การมีพันธะมีขั้วไม่ได้รับประกันว่าโมเลกุลทั้งโมเลกุลมีขั้ว ต้องรู้รูปร่างสามมิติและรวมเวกเตอร์ของพันธะก่อน

พื้นฐานที่ใช้: ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีบอกแนวโน้มดึงดูดอิเล็กตรอนในพันธะ; โครงสร้าง Lewis และ VSEPR ใช้หารูปร่างโมเลกุล

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. แยกสภาพขั้วของพันธะออกจากสภาพขั้วของโมเลกุล

• การมีพันธะมีขั้วในโมเลกุลไม่ได้เป็นเครื่องการันตีว่าโมเลกุลนั้นจะต้องเป็นโมเลกุลมีขั้ว สภาพขั้วของโมเลกุลขึ้นอยู่กับ ผลรวมเวกเตอร์ของไดโพลพันธะทั้งหมดในสามมิติ

• สภาพขั้วของพันธะ (Bond dipole):
  • เกิดจากผลต่างค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี ($\Delta\mathrm{EN}$) ระหว่างสองอะตอมที่สร้างพันธะกัน ดึงดูดกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนไปทางอะตอมที่มีค่า $\mathrm{EN}$ สูงกว่า
  • แสดงด้วยลูกศรไดโพล โดยหางลูกศรมีขีดกากบาทอยู่ที่ด้านประจุบวกบางส่วน ($\delta+$) และหัวลูกศรชี้ไปยังด้านประจุลบบางส่วน ($\delta-$)

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: อิทธิพลของรูปร่างโมเลกุลต่อการรวมเวกเตอร์ไดโพลระหว่าง $\mathrm{CO_2}$ กับ $\mathrm{H_2O}$
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
    • $\mathrm{CO_2}$ (โมเลกุลเส้นตรง): พันธะ $\mathrm{C-O}$ มีขั้วทั้งสองข้าง แต่เวกเตอร์มีขนาดเท่ากันและชี้ในทิศตรงข้ามกัน $180^\circ$ จึงหักล้างกันหมด $\rightarrow$ โมเลกุลไม่มีขั้วสุทธิ ($\mu = 0$)
    • $\mathrm{H_2O}$ (โมเลกุลมุมงอ): พันธะ $\mathrm{O-H}$ มีขั้วทั้งสองข้าง ชี้เข้าหาอะตอมออกซิเจน เมื่อรวมเวกเตอร์ในสองทิศทาง ไดโพลไม่หักล้างกัน $\rightarrow$ โมเลกุลมีขั้วสุทธิ ($\mu > 0$) ชี้เข้าหา $\mathrm{O}$
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงทิศทางไดโพลในระนาบ โมเลกุลสามมิติอื่นต้องพิจารณามิติเชิงเรขาคณิตครบทุกแกน

2. ขั้วโมเลกุลเป็นผลรวมเวกเตอร์ในสามมิติ

• ขั้นตอนการพิจารณาสภาพขั้วของโมเลกุล:
  1. เขียนโครงสร้างลิวอิสและทำนายรูปร่างโมเลกุลสามมิติด้วยทฤษฎี VSEPR
  2. เขียนเวกเตอร์ไดโพลของแต่ละพันธะตามทิศทางความแตกต่างของค่า $\mathrm{EN}$
  3. รวมเวกเตอร์ของทุกพันธะในสามมิติ:
     • หากเวกเตอร์หักล้างกันหมดรอบทิศทาง: โมเลกุลไม่มีขั้ว (Non-polar molecule, $\mu = 0$)
     • หากเวกเตอร์ไม่หักล้างกันหรือเหลือทิศทางสุทธิ: โมเลกุลมีขั้ว (Polar molecule, $\mu > 0$)

3. ความสมมาตร ชนิดอะตอม และคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยว

• ปัจจัยที่ทำให้โมเลกุลไม่มีขั้ว (เวกเตอร์หักล้างกันหมด):
  • โมเลกุลมีรูปร่างสมมาตรสมบูรณ์รอบอะตอมกลาง และอะตอมที่ล้อมรอบทุกตำแหน่งเป็นธาตุชนิดเดียวกัน เช่น:
    • เส้นตรง: $\mathrm{CO_2, BeCl_2}$
    • สามเหลี่ยมแบนราบ: $\mathrm{BF_3, BCl_3}$
    • ทรงสี่หน้า: $\mathrm{CH_4, CCl_4}$
    • พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม: $\mathrm{PCl_5}$
    • ทรงแปดหน้า: $\mathrm{SF_6}$
• ปัจจัยที่ทำให้โมเลกุลมีขั้ว (เวกเตอร์ไม่หักล้างกัน):
  • มีคู่อิเล็กตรอนโดดเดี่ยวบนอะตอมกลาง: ทำให้รูปร่างบิดเบี้ยวไม่สมมาตร เช่น $\mathrm{NH_3}$ (พีระมิดฐานสามเหลี่ยม), $\mathrm{H_2O}$ (มุมงอ), $\mathrm{SF_4}$ (ม้ากระดก)
  • อะตอมที่ล้อมรอบต่างชนิดกัน: แม้รูปร่างภายนอกจะสมมาตร เช่น $\mathrm{CH_3Cl}$ หรือ $\mathrm{CHCl_3}$ (ทรงสี่หน้า) แต่ไดโพลของพันธะ $\mathrm{C-H}$ และ $\mathrm{C-Cl}$ มีขนาดไม่เท่ากัน จึงไม่สามารถหักล้างกันหมดได้

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด