Water Polar หรือ Nonpolar

Water Polar หรือ Nonpolar คำว่า ‘ขั้ว’ มักใช้ในไฟฟ้า และแม่เหล็ก ในวิชาเคมี ซึ่งหมายถึง การกระจายประจุไฟฟ้ารอบ ๆ โมเลกุล อะตอม หรือกลุ่มเคมี

หากต้องการทราบว่า น้ำมีขั้วหรือไม่มีขั้ว เราต้องเข้าใจกลุ่มโมเลกุลที่สำคัญสองกลุ่มก่อน คือ โมเลกุลมีขั้ว และโมเลกุลไม่มีขั้ว แม้ว่าโมเลกุลส่วนใหญ่ในโลกจะมีขั้ว แต่บางโมเลกุลอาจไม่มีขั้วทั้งหมด

โมเลกุลขั้วโลก เป็นอย่างไร

เมื่อ 2 อะตอม ไม่แบ่งอิเล็กตรอนเท่า ๆ กัน ในพันธะโควาเลนต์ พวกมัน จะทำให้เกิดโมเลกุลมีขั้ว ส่วนหนึ่งของโมเลกุลมีประจุลบเล็กน้อย ในขณะที่อีกส่วนมีประจุบวกเล็กน้อย

ซึ่งโมเลกุลของขั้ว เกิดขึ้นเมื่ออะตอมของพวกมันมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ต่างกัน อะตอมแต่ละอะตอมมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้เฉพาะ ซึ่งกำหนดความสามารถในการรับอิเล็กตรอน และสร้างไอออนลบในปฏิกิริยาเคมี

โดยอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของอะตอมที่ต่างกันน้อยกว่า จะทำให้เกิดพันธะโควาเลนต์แบบมีขั้ว ในขณะที่ความแตกต่างมหาศาล ก่อให้เกิดพันธะไอออนิก

กล่าวอีกนัยหนึ่ง คือ พันธะโควาเลนต์มีขั้ว เกิดขึ้นเมื่ออะตอมหนึ่งดึงดูดอิเล็กตรอนมากขึ้น ในขณะที่พันธะไอออนิกก่อตัวขึ้น เมื่ออะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติวีตีมากกว่าดึงอิเล็กตรอน ออกจากอะตอมอื่น

ตัวอย่างของโมเลกุลมีขั้ว เช่น แอมโมเนีย (NH 3 ), ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H 2 S), ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO 2 ) เป็นต้น

โมเลกุลไม่มีขั้ว คืออะไร

โมเลกุลที่ไม่มีขั้ว จะเกิดขึ้น เมื่ออะตอมของพวกมัน มีการแบ่งอิเล็กตรอนในพันธะโควาเลนต์เท่า ๆ กัน และมีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ทั่วทั้งโมเลกุล ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดในพันธะโควาเลนต์ไม่มีขั้วจะกระจายตัวเท่ากัน

สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อ 2 อะตอม ที่มีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้เหมือนกัน หรือคล้ายกันสร้างพันธะ โมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ยังสามารถเกิดขึ้นได้ เมื่ออะตอมของพวกมันมีพันธะที่มีขั้วร่วมกัน ซึ่งถูกจัดเรียงในลักษณะที่ประจุไฟฟ้าของพวกมันจะตัดกัน

ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2 ), มีเทน (CH 4 ), เบนซีน (C 6 H 6 ) เป็นต้น

เราจะทราบขั้วของโมเลกุลได้อย่างไร

มีวิธีการง่าย ๆ ในการทำนายว่า โมเลกุลมีขั้ว หรือไม่มีขั้วนั้นเป็นอย่างไร โดยคุณต้องมองที่อิเล็กในตารางธาตุ

หากความแตกต่างระหว่างอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของอะตอมทั้งสอง มีมากกว่า 2.0 อะตอม จะสร้างพันธะไอออนิก และโมเลกุลไอออนิกจะมีขั้วสูง

แต่หากความแตกต่างอยู่ระหว่าง 0.5 และ 2.0 แสดงว่า โมเลกุลนั้นค่อนข้างมีขั้ว

หากความแตกต่างระหว่างอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของอะตอม น้อยกว่า 0.5 อะตอมจะสร้างพันธะไม่มีขั้ว เฉพาะอะตอมที่เหมือนกันเท่านั้นที่สร้างโมเลกุลที่ไม่มีขั้วอย่างสมบูรณ์

กลับมาที่คำถามเดิม คือ น้ำมีขั้วหรือไม่มีขั้ว? โดย น้ำ (H 2 O) เป็นโมเลกุลที่มีขั้ว เนื่องจาก มีการแบ่งของอิเล็กตรอนไม่เท่ากัน

ทำไมน้ำถึงเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว

โมเลกุลของน้ำ ประกอบด้วย ออกซิเจนหนึ่งอะตอม และไฮโดรเจนสองอะตอม เนื่องจาก ออกซิเจน เป็นอะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาทีฟสูง

มันจึงสามารถดึงอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง (จากอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอม) เข้าหาตัวมันเอง ทำให้เกิดประจุลบ เป็นเวลาหนึ่งนาที ในทางกลับกัน ไฮโดรเจนจะได้รับประจุบวกบางส่วน

อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ปัจจัยเดียวที่กำหนดขั้วของโมเลกุล ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่ง คือ การจัดเรียงอะตอมในเชิงพื้นที่ ซึ่งอะตอมภายในโมเลกุลได้ถูกจัดเรียงอย่างไรรอบอะตอมกลาง

เพื่อให้เกิดความเข้าใจ และแนวคิดนี้มากขึ้น มาดูสูตรโครงสร้างของคาร์บอนไดออกไซด์กัน!!!!

WATER POLAR หรือ NONPOLAR

ประกอบด้วย อะตอมออกซิเจนแบบอิเลคโตรเนกาทีฟเท่ากันสองอะตอม ทั้งคู่เรียงตักันอยู่ที่มุม 180 องศาจากคาร์บอน เนื่องจาก พวกมันดึงอิเล็กตรอนจากคาร์บอน ด้วยแรงเท่ากัน ในทิศทางตรงกันข้าม โดยความหนาแน่นสุทธิของคาร์บอน จึงยังคงไม่ได้รับผลกระทบใด ๆ

ที่ปลายทั้งสองของโมเลกุล จะมีประจุลบเล็กน้อย ในขณะที่อะตอมของคาร์บอน ที่อยู่ตรงกลาง มีประจุเป็นบวกเล็กน้อย ทำให้โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ไม่มีขั้วนั่นเอง

อย่างไรก็ตาม ในโมเลกุลของน้ำ โดยออกซิเจนจะแบ่งอิเล็กตรอนกับอะตอมของไฮโดรเจนแต่ละอะตอม

เนื่องจาก อะตอมของออกซิเจน ประกอบด้วยอิเล็กตรอน 6 ตัว ในเปลือกนอกสุด 4 ตัว จึงยังไม่ถูกผูกมัด คู่อิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัด และไม่ผูกมัดเหล่านี้ จัดเรียงตัวเองใหม่ในโครงสร้างจัตุรมุข

เนื่องจาก อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของออกซิเจน มีมากกว่าไฮโดรเจน มันจึงดึงอิเล็กตรอนเข้าหามัน ดังนั้น พื้นที่รอบ ๆ ออกซิเจน จึงกลายเป็นลบมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับบริเวณรอบ ๆ อะตอมของไฮโดรเจนทั้งสอง ทำให้น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว

หมายเหตุ : แม้ว่าพันธะโควาเลนต์ระหว่างออกซิเจน และไฮโดรเจนในน้ำ จะมีขั้ว แต่โมเลกุลโดยรวมนั้น เป็นกลางทางไฟฟ้า โมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุล ประกอบด้วย อิเล็กตรอน 10 ตัว และโปรตอน 10 ตัว โดยมีประจุสุทธิเป็นศูนย์

อย่างไรก็ตาม ขั้วของน้ำทำให้เป็นสารประกอบทางเคมีพิเศษ เนื่องจาก น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้ว จึงสามารถก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต (แรงดึงดูดที่มีประจุเป็นฐาน) กับโมเลกุล และไอออนของขั้วอื่น ๆ

และเนื่องจาก น้ำถูกดึงดูดไปยังประจุไฟฟ้าลบ หรือประจุบวก บนตัวถูกละลาย มันจึงทำหน้าที่เป็นตัวทำละลายแบบมีขั้ว ซึ่งหมายความว่า มีความสามารถที่น่าทึ่งในการละลายสาร

พันธะไฮโดรเจนชั่วคราวระหว่างโมเลกุลของน้ำต่าง ๆ ทำให้เกิดคุณสมบัติที่น่าสนใจ ช่วยให้น้ำเก็บพลังงานความร้อนได้มาก หรือมีความจุความร้อนสูง

แม้ว่าจะใช้พลังงานเป็นจำนวนมากในการทำน้ำร้อน แต่ก็ยังอุ่นได้นานกว่าสารประกอบของเหลวส่วนใหญ่ สิ่งนี้ทำให้ชีวิตเป็นไปได้บนโลก เนื่องจาก น้ำนำความร้อนไปยังบริเวณที่ได้รับแสงแดดเพียงเล็กน้อย

นอกจากจะมีพันธะที่แข็งแกร่ง และความสามารถในการละลายแล้ว น้ำยังมีคุณสมบัติที่มีความหนาแน่น ที่เป็นเอกลักษณ์อีกด้วย เมื่อถูกแช่แข็ง โมเลกุลของน้ำจะอยู่ห่างกันแต่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนาผ่านพันธะไฮโดรเจน

ความหนาแน่นของน้ำ จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง แต่สูงถึง 4°C เท่านั้น ด้านล่างจุดนี้ ความหนาแน่นจะลดลง และเมื่ออุณหภูมิถึง 0 °C ก็จะเบากว่าน้ำของเหลว นี่คือเหตุผลที่น้ำแข็งลอยอยู่ในน้ำ (ซึ่งสนับสนุนสิ่งมีชีวิตในทะเล)

Credit

อ่านบทความน่าสนใจเพิ่มเติม