VSEPR และรูปร่างโมเลกุล

Lewis วางอะตอมและคู่อิเล็กตรอนบนระนาบกระดาษ แต่โมเลกุลจริงเป็นสามมิติและจัดตัวเพื่อลดแรงผลักระหว่างบริเวณอิเล็กตรอน

พื้นฐานที่ใช้: วาด Lewis ให้ครบและแยกคู่อิเล็กตรอนที่ใช้สร้างพันธะออกจากคู่โดดเดี่ยวบนอะตอมกลาง

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. นับบริเวณอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางตามทฤษฎี VSEPR

• ทฤษฎีการผลักกันของคู่อิเล็กตรอนในวงเวเลนซ์ (VSEPR Theory) วางอยู่บนหลักการว่า บริเวณที่มีความหนาแน่นอิเล็กตรอนรอบอะตอมกลางจะผลักกันเองและจัดตัวให้อยู่ห่างกันมากที่สุดในสามมิติเพื่อลดแรงผลักให้เหลือน้อยที่สุด

• การนับบริเวณความหนาแน่นอิเล็กตรอน (Electron Domains):
  • พันธะเดี่ยว พันธะคู่ หรือพันธะสาม นับเป็น 1 บริเวณ (1 พันธะต่ออะตอม)
  • อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว (Lone pair) 1 คู่ นับเป็น 1 บริเวณ
  • แรงผลักสัมพัทธ์: คู่โดดเดี่ยวถูกดึงดูดด้วยนิวเคลียสเพียงอะตอมเดียว จึงแผ่ขยายกินปริมาตรมากกว่า และส่งแรงผลักมากกว่าคู่ร่วมพันธะ: $$\text{คู่โดดเดี่ยว–คู่โดดเดี่ยว} > \text{คู่โดดเดี่ยว–คู่พันธะ} > \text{คู่พันธะ–คู่พันธะ}$$

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: การเปรียบเทียบระหว่างรูปร่างคู่อิเล็กตรอนกับรูปร่างโมเลกุลของแอมโมเนีย ($\mathrm{NH_3}$)
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
    • อะตอมกลาง $\mathrm{N}$: มี 4 บริเวณอิเล็กตรอน (3 พันธะ $\mathrm{N-H} + 1$ คู่โดดเดี่ยว)
    • รูปร่างคู่อิเล็กตรอน (Electron geometry): ทรงสี่หน้า (Tetrahedral)
    • รูปร่างโมเลกุล (Molecular geometry): พีระมิดฐานสามเหลี่ยม (Trigonal pyramidal) จากการมองเฉพาะตำแหน่งของนิวเคลียสอะตอม $\mathrm{N}$ และ $\mathrm{H}$
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: เป็นภาพวาดแสดงทิศทางพันธะ ไม่ได้แสดงการทับซ้อนจริงของออร์บิทัลลูกผสม

2. รูปร่างคู่อิเล็กตรอนไม่เท่ากับรูปร่างโมเลกุล

• ความแตกต่างสำคัญ:
  • รูปร่างคู่อิเล็กตรอน: นับการจัดเรียงของทั้งคู่ร่วมพันธะและคู่โดดเดี่ยว
  • รูปร่างโมเลกุล: พิจารณาเฉพาะตำแหน่งของนิวเคลียสอะตอมเท่านั้น (มองไม่เห็นคู่โดดเดี่ยว)
• ตัวอย่างกลุ่ม 4 บริเวณอิเล็กตรอน (Electron geometry: ทรงสี่หน้า):
  • 4 พันธะ, 0 คู่โดดเดี่ยว: ทรงสี่หน้า (Tetrahedral) เช่น $\mathrm{CH_4}$
  • 3 พันธะ, 1 คู่โดดเดี่ยว: พีระมิดฐานสามเหลี่ยม (Trigonal pyramidal) เช่น $\mathrm{NH_3}$
  • 2 พันธะ, 2 คู่โดดเดี่ยว: มุมงอ (Bent / V-shaped) เช่น $\mathrm{H_2O}$

3. มุมพันธะจริงเบี่ยงเบนจากมุมอุดมคติ

• รูปทรงพื้นฐานตามจำนวนบริเวณอิเล็กตรอน:
  • 2 บริเวณ: เส้นตรง (Linear, มุม $180^\circ$) เช่น $\mathrm{BeCl_2, CO_2}$
  • 3 บริเวณ: สามเหลี่ยมแบนราบ (Trigonal planar, มุม $120^\circ$) เช่น $\mathrm{BF_3}$
  • 4 บริเวณ: ทรงสี่หน้า (Tetrahedral, มุม $109.5^\circ$) เช่น $\mathrm{CH_4}$
  • 5 บริเวณ: พีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยม (Trigonal bipyramidal, มุม $90^\circ, 120^\circ$) เช่น $\mathrm{PCl_5}$
  • 6 บริเวณ: ทรงแปดหน้า (Octahedral, มุม $90^\circ$) เช่น $\mathrm{SF_6}$
• ผลของแรงผลักจากคู่โดดเดี่ยว:
  • คู่โดดเดี่ยวมีแรงผลักสูงกว่า จึงบีบมุมระหว่างพันธะให้แคบลงกว่ามุมอุดมคติ
  • ตัวอย่างในกลุ่ม 4 บริเวณ:
    • $\mathrm{CH_4}$ (ไม่มีคู่โดดเดี่ยว): มุม $109.5^\circ$
    • $\mathrm{NH_3}$ (1 คู่โดดเดี่ยว): มุมถูกบีบลงเหลือประมาณ $107^\circ$
    • $\mathrm{H_2O}$ (2 คู่โดดเดี่ยว): มุมถูกบีบลงเหลือประมาณ $104.5^\circ$

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด