อะไรยึดอะตอมไว้ด้วยกัน พันธะไอออนิก พันธะโคเวเลนต์ และพันธะโลหะ

ทำไมอะตอมจึงสร้างพันธะ

อะตอมสร้างพันธะเพราะทำให้ได้การจัดเรียงอิเล็กตรอนชั้นนอกที่เสถียรกว่า ซึ่งมักเป็นชั้นนอกที่เต็มเหมือนแก๊สมีตระกูล มีเพียงอิเล็กตรอนชั้นนอก คือเวเลนซ์อิเล็กตรอน เท่านั้นที่มีส่วนร่วม และอะตอมสามารถให้ไป รับมา หรือใช้ร่วมกันได้ แต่ละทางเลือกนำไปสู่พันธะต่างชนิดกัน

พันธะไอออนิก: การให้และรับอิเล็กตรอน

พันธะไอออนิกมักเกิดระหว่างโลหะกับอโลหะ อะตอมโลหะให้อิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนบวก และอะตอมอโลหะรับอิเล็กตรอนและกลายเป็นไอออนลบ ประจุตรงข้ามดึงดูดกันอย่างแรง และแรงดึงดูดนั้นคือพันธะไอออนิก

เกลือแกงเป็นตัวอย่างคลาสสิก อะตอมโซเดียมให้อิเล็กตรอนชั้นนอกตัวเดียวแก่อะตอมคลอรีน เกิดเป็น Na⁺ และ Cl⁻ ผลึกเกลือไม่ได้ประกอบด้วยคู่ NaCl แยกกัน แต่ Na⁺ แต่ละตัวถูกล้อมด้วยไอออน Cl⁻ หกตัว และ Cl⁻ แต่ละตัวถูกล้อมด้วยไอออน Na⁺ หกตัว เป็นรูปแบบลูกบาศก์ที่ซ้ำกัน เรียกว่าโครงผลึก

สารประกอบไอออนิกมักเป็นของแข็งที่แข็งและเปราะ มีจุดหลอมเหลวสูง เกลือหลอมเหลวที่ 801 °C สารเหล่านี้ไม่นำไฟฟ้าเมื่อเป็นของแข็ง แต่นำไฟฟ้าเมื่อหลอมเหลวหรือละลายในน้ำ เพราะไอออนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ

พันธะโคเวเลนต์: การใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน

พันธะโคเวเลนต์มักเกิดระหว่างอะตอมอโลหะสองอะตอม ไม่มีอะตอมใดดึงแรงพอที่จะแย่งอิเล็กตรอนจากอีกอะตอม จึงใช้อิเล็กตรอนเป็นคู่ร่วมกันแทน อิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันถูกดึงดูดโดยนิวเคลียสทั้งสอง ซึ่งยึดอะตอมไว้ด้วยกัน กลุ่มอะตอมที่ยึดกันด้วยวิธีนี้เรียกว่าโมเลกุล

ในโมเลกุลน้ำ H₂O อะตอมออกซิเจนใช้อิเล็กตรอนคู่หนึ่งร่วมกับอะตอมไฮโดรเจนแต่ละอะตอม ออกซิเจนเริ่มต้นด้วยอิเล็กตรอนชั้นนอก 6 ตัว และตอนนี้มี 8 ตัวรอบตัว และไฮโดรเจนแต่ละอะตอมตอนนี้มี 2 ตัว ซึ่งเป็นชั้นแรกที่เต็ม อะตอมยังใช้ร่วมกันสองคู่ได้ เกิดเป็นพันธะคู่ เช่นใน O₂ หรือสามคู่ เกิดเป็นพันธะสาม เช่นใน N₂

สารโคเวเลนต์จำนวนมากมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ จึงมักเป็นแก๊สหรือของเหลวที่อุณหภูมิห้อง น้ำเดือดที่ 100 °C บางชนิด เช่น เพชร เกิดเป็นโครงข่ายยักษ์ของพันธะโคเวเลนต์และแข็งมาก

พันธะโลหะ: ทะเลของอิเล็กตรอน

ในโลหะ อะตอมปล่อยอิเล็กตรอนชั้นนอกเข้าสู่กลุ่มร่วมที่เคลื่อนที่อย่างอิสระทั่วทั้งโลหะ สิ่งที่เหลืออยู่คือการจัดเรียงอย่างสม่ำเสมอของไอออนโลหะบวก ซึ่งยึดไว้ด้วย “ทะเล” ของอิเล็กตรอนนี้ แรงดึงดูดระหว่างไอออนกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่คือพันธะโลหะ

อิเล็กตรอนอิสระนำกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นเหตุผลที่ทองแดงใช้ทำสายไฟ และนำความร้อน ซึ่งเป็นเหตุผลที่ช้อนโลหะในซุปร้อนอุ่นขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากพันธะไม่ได้ตรึงอยู่ระหว่างอะตอมเฉพาะคู่ ชั้นของไอออนจึงเลื่อนผ่านกันได้ โลหะจึงโค้งงอและตีเป็นแผ่นได้แทนที่จะแตกเป็นเสี่ยง

การใช้อิเล็กโทรเนกาติวิตีทำนายพันธะ

อิเล็กโทรเนกาติวิตีวัดว่าอะตอมดึงอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันได้แรงเพียงใด หากต้องการเปรียบเทียบสองอะตอม ให้นำค่าที่น้อยกว่าลบจากค่าที่มากกว่า โดยคร่าว ๆ ผลต่างต่ำกว่าประมาณ 0.4 หมายความว่าอิเล็กตรอนถูกใช้ร่วมกันเกือบเท่ากัน (โคเวเลนต์ไม่มีขั้ว) ผลต่างระหว่างประมาณ 0.4 ถึง 1.7 หมายความว่าใช้ร่วมกันไม่เท่ากัน (โคเวเลนต์มีขั้ว) และผลต่างสูงกว่าประมาณ 1.7 มักหมายถึงพันธะไอออนิก

โซเดียมคลอไรด์: 3.16 − 0.93 = 2.23 พันธะจึงเป็นไอออนิก น้ำ: ออกซิเจน (3.44) และไฮโดรเจน (2.20) ต่างกัน 1.24 พันธะ O–H จึงเป็นโคเวเลนต์มีขั้ว ออกซิเจนดึงอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันเข้ามาใกล้กว่าและมีประจุลบเล็กน้อย ขณะที่อะตอมไฮโดรเจนเป็นบวกเล็กน้อย แก๊สคลอรีน Cl₂: 3.16 − 3.16 = 0 อิเล็กตรอนจึงถูกใช้ร่วมกันเท่ากันอย่างสมบูรณ์

ค่าแบ่งเหล่านี้เป็นแนวทางคร่าว ๆ และหนังสือเรียนใช้ตัวเลขต่างกันเล็กน้อย เพราะการสร้างพันธะที่จริงเป็นมาตราที่เลื่อนไหล ทางลัดใช้ได้เกือบทุกครั้ง คือ โลหะ + อโลหะ ให้พันธะไอออนิก อโลหะ + อโลหะ ให้พันธะโคเวเลนต์ และโลหะ + โลหะ ให้พันธะโลหะ