รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ เกิดจากการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวในโมเลกุล รูปร่างของโมเลกุลโคเวเลนต์สามารถอธิบายได้จากทฤษฎี VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) ซึ่งพิจารณาจากผลของแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวในโมเลกุล
ทฤษฎี VSEPR แบ่งรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ออกเป็น 5 รูปร่างหลัก ดังนี้
- รูปร่างทรงกลม (Spherical): มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 2 คู่ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวไม่มี ตัวอย่าง เช่น โมเลกุลของไฮโดรเจน (H2)
- รูปร่างทรงตรง (Linear): มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 2 คู่ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวไม่มีหรือมี 1 คู่ ตัวอย่าง เช่น โมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)
- รูปร่างสามเหลี่ยม (Trigonal): มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 3 คู่ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวไม่มีหรือมี 1 คู่ ตัวอย่าง เช่น โมเลกุลของน้ำ (H2O)
- รูปร่างพีระมิดสามเหลี่ยม (Trigonal pyramidal): มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 3 คู่ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 1 คู่ ตัวอย่าง เช่น โมเลกุลของอะมโมเนีย (NH3)
- รูปร่างทรงสี่หน้า (Tetrahedral): มีอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ 4 คู่ อิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวไม่มีหรือมี 1 คู่ ตัวอย่าง เช่น โมเลกุลของมีเทน (CH4)
นอกจากรูปร่างหลักทั้ง 5 นี้แล้ว ยังมีรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์อื่นๆ อีกมากมาย เช่น รูปร่างทรงห้าหน้า (Trigonal bipyramidal) รูปร่างทรงพีระมิดคู่ (Square pyramidal) เป็นต้น
ตารางแสดงรูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์และจำนวนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะและอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว
| รูปร่างโมเลกุล | จำนวนอิเล็กตรอนคู่ร่วมพันธะ | จำนวนอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว |
|---|---|---|
| ทรงกลม | 2 | 0 |
| ทรงตรง | 2 | 0-1 |
| ทรงสามเหลี่ยม | 3 | 0-1 |
| ทรงพีระมิดสามเหลี่ยม | 3 | 1 |
| ทรงสี่หน้า | 4 | 0-1 |
| ทรงห้าหน้า | 5 | 0-2 |
| ทรงพีระมิดคู่ | 5 | 2 |
รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์มีผลต่อสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของสารโคเวเลนต์ เช่น
- สมบัติทางกายภาพ: รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ส่งผลต่อจุดเดือด จุดหลอมเหลว ความดันไอ และการนำไฟฟ้าของสาร
- สมบัติทางเคมี: รูปร่างโมเลกุลโคเวเลนต์ส่งผลต่อปฏิกิริยาเคมีของสาร
ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของน้ำ (H2O) มีรูปร่างทรงสามเหลี่ยม ซึ่งทำให้โมเลกุลของน้ำมีมุมระหว่างพันธะ 104.5° มุมนี้ทำให้โมเลกุลของน้ำมีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำอื่นๆ ได้ง่าย ส่งผลให้น้ำมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง
ในทางกลับกัน โมเลกุลของมีเทน (CH4) มีรูปร่างทรงสี่หน้า ซึ่งทำให้โมเลกุลของมีเทนมีมุมระหว่างพันธะ 109.5° มุมนี้ทำให้โมเลกุลของมีเทนไม่มีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของมีเทนอื่นๆ ได้ง่าย ส่งผลให้มีเทนมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ