สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เช่น เหล็ก ทองแดง เกลือแกง น้ำตาลทราย น้ำ แก๊สไฮโดรเจน สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง
การทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง
การสลายโมเลกุลของไฮโดรเจนให้เป็นอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะแก๊สต้องใช้พลังงาน 436 กิโลจูลต่อโมล จากตัวอย่างดังกล่าวเป็นหลักฐานที่แสดงว่ามี<b>แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร</b>
แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารอาจเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในก้อนโลหะ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนในสารประกอบไอออนิกให้อยู่ร่วมกันเป็นผลึก หรือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุให้อยู่รวมกันเป็นโมเลกุล แรงยึดเหนี่ยวดังตัวอย่างข้างต้นนี้เรียกว่า<b>พันธะเคมี</b>
ในบทนี้นักเรียนจะได้ศึกษาพันธะเคมีที่มีอยู่ในสารชนิดต่างๆ ศึกษาโครงสร้างหรือรูปร่างโมเลกุลของสารรวมทั้งผลของแรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อสมบัติของสาร
2.1 พันธะไอออนิก
การศึกษาในบทที่ 1 ทำให้ทราบว่าโลหะเป็นอะตอมที่มีขนาดใหญ่ มีค่าพลังงานไอออไนเซชันต่ำ โลหะจึงเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้ง่าย ส่วนอโลหะเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็ก มีค่าพลังงานไอออไนเซชันสูง อโลหะจึงเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้ยากกว่าโลหะ เราจะศึกษาต่อไปว่าเมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับอโลหะจะสร้างพันธะเคมีต่อกันอย่างไร
2.1.1 การเกิดพันธะไอออนิก
นักวิทยาศาสตร์พบว่าแก๊สเฉื่อยสามารถอยู่เป็นอะตอมอิสระและมีเสถียรภาพสูง ธาตุหมู่นี้มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น
ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ยกเว้นฮีเลียมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ส่วนธาตุอื่นๆ มักทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารประกอบเพื่อจะปรับให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 8 เท่ากับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแก๊สเฉื่อย แสดงว่าอะตอมที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เป็นสภาพที่เสถียรที่สุด การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้เรียกว่า กฎออกเตต การเกิดสารประกอบระหว่างอะตอมของโลหะจะมีลักษณะการรวมตัวอย่างไรศึกษาได้จากตัวอย่างการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์และแคลเซียมฟลูออไรด์ต่อไปนี้
โซเดียมมีเลขอะตอม 11 จัดอิเล็กตรอนเป็น
ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น
ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน
ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ
ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นคลอไรด์ไอออน
ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุอาร์กอนคือ
ดังนั้นเมื่อโลหะโซเดียมทำปฎิกิริยากับแก๊สคลอรีนจะเกิดการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมทั้งสองเกิดเป็นโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออน ไอออนทั้งสองมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเกิดเป็นพันธะไอออนิกแรงดึงดูดระหว่างโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนเช่นนี้จะเกิดต่อเนื่องกันไปเป็นโครงผลึกขนาดใหญ่ และเรียกสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกว่า สารประกอบไอออนิก
การรวมตัวระหว่างธาตุแคลเซียมกับฟลูออรีนก็สามารถอธิบายได้ในทำนองเดียวกันดังนี้ แคลเซียมมีเลขอะตอม 20 จัด อิเล็กตรอนเป็น
แคลเซียมจึงให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 2 อิเล็กตรอนแก่ฟลูออรีนเกิดเป็นแคลเซียมไอออน
ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนธาตุอาร์กอนคือ
ส่วนฟลูออรีนมีเลขอะตอม 9 จัดอิเล็กตรอนเป็น
และฟลูออรีน 1 อะตอมจะรับ 1 อิเล็กตรอนเกิดเป็นฟลูออไรด์ไอออน
ซึ่งจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออน แต่แคลเซียม 1 อะตอมให้ 2 อิเล็กตรอนจึงต้องใช้ฟลูออรีน 2 อะตอม เพื่อรับ 2 อิเล็กตรอน เกิดเป็นสารประกอบแคลเซียมฟลูออไรด์ซึ่งแสดงได้ดังต่อไปนี้
เนื่องจากสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบอยู่รวมกัน การจัดเรียงไอออนบวกและไอออนลบในสารประกอบไอออนิกแต่ละชนิดจะเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร
2.1.2 โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบไอออนิกที่ปรากฎอยู่ในสถานะของแข็งมีการจัดเรียงตัวของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นผลึกที่มีโครงสร้างหลากหลาย จากการศึกษาโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) พบว่า
และ
จัดเรียงสลับกันไปอย่างต่อเนื่องทั้งสามมิติโดยที่
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
6 ไอออนและ
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
6 ไอออน (ดังรูป 2.1) โซเดียมคลอไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ
กับ
เป็น 1 : 1 สำหรับแคลเซียมฟลูออไรด์
พบว่า
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
8 ไอออนและ
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
4 ไอออน (ดังรูป 2.2 ) แคลเซียมฟลูออไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ
กับ
เป็น 1 : 2 โครงสร้างสารประกอบไอออนิก ชนิดอื่นๆ ก็จะมีไอออนบวกและไอออนลบล้อมรอบซึ่งกันและกันแต่อาจมีจำนวนแตกต่างกัน จะเป็นเท่าใดขึ้นอยู่กับสัดส่วนของจำนวนประจุ ขนาดของไอออนและโครงสร้างผลึก
การทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง
การสลายโมเลกุลของไฮโดรเจนให้เป็นอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะแก๊สต้องใช้พลังงาน 436 กิโลจูลต่อโมล จากตัวอย่างดังกล่าวเป็นหลักฐานที่แสดงว่ามี<b>แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร</b>แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารอาจเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในก้อนโลหะ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนในสารประกอบไอออนิกให้อยู่ร่วมกันเป็นผลึก หรือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุให้อยู่รวมกันเป็นโมเลกุล แรงยึดเหนี่ยวดังตัวอย่างข้างต้นนี้เรียกว่า<b>พันธะเคมี</b>
ในบทนี้นักเรียนจะได้ศึกษาพันธะเคมีที่มีอยู่ในสารชนิดต่างๆ ศึกษาโครงสร้างหรือรูปร่างโมเลกุลของสารรวมทั้งผลของแรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อสมบัติของสาร
2.1 พันธะไอออนิก
การศึกษาในบทที่ 1 ทำให้ทราบว่าโลหะเป็นอะตอมที่มีขนาดใหญ่ มีค่าพลังงานไอออไนเซชันต่ำ โลหะจึงเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้ง่าย ส่วนอโลหะเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็ก มีค่าพลังงานไอออไนเซชันสูง อโลหะจึงเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้ยากกว่าโลหะ เราจะศึกษาต่อไปว่าเมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับอโลหะจะสร้างพันธะเคมีต่อกันอย่างไร
2.1.1 การเกิดพันธะไอออนิก
นักวิทยาศาสตร์พบว่าแก๊สเฉื่อยสามารถอยู่เป็นอะตอมอิสระและมีเสถียรภาพสูง ธาตุหมู่นี้มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น
ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ยกเว้นฮีเลียมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ส่วนธาตุอื่นๆ มักทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารประกอบเพื่อจะปรับให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 8 เท่ากับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแก๊สเฉื่อย แสดงว่าอะตอมที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เป็นสภาพที่เสถียรที่สุด การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้เรียกว่า กฎออกเตต การเกิดสารประกอบระหว่างอะตอมของโลหะจะมีลักษณะการรวมตัวอย่างไรศึกษาได้จากตัวอย่างการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์และแคลเซียมฟลูออไรด์ต่อไปนี้โซเดียมมีเลขอะตอม 11 จัดอิเล็กตรอนเป็น
ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น
ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน
ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ
ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นคลอไรด์ไอออน
ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุอาร์กอนคือ
ดังนั้นเมื่อโลหะโซเดียมทำปฎิกิริยากับแก๊สคลอรีนจะเกิดการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมทั้งสองเกิดเป็นโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออน ไอออนทั้งสองมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเกิดเป็นพันธะไอออนิกแรงดึงดูดระหว่างโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนเช่นนี้จะเกิดต่อเนื่องกันไปเป็นโครงผลึกขนาดใหญ่ และเรียกสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกว่า สารประกอบไอออนิกการรวมตัวระหว่างธาตุแคลเซียมกับฟลูออรีนก็สามารถอธิบายได้ในทำนองเดียวกันดังนี้ แคลเซียมมีเลขอะตอม 20 จัด อิเล็กตรอนเป็น
แคลเซียมจึงให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 2 อิเล็กตรอนแก่ฟลูออรีนเกิดเป็นแคลเซียมไอออน
ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนธาตุอาร์กอนคือ
ส่วนฟลูออรีนมีเลขอะตอม 9 จัดอิเล็กตรอนเป็น
และฟลูออรีน 1 อะตอมจะรับ 1 อิเล็กตรอนเกิดเป็นฟลูออไรด์ไอออน
ซึ่งจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออน แต่แคลเซียม 1 อะตอมให้ 2 อิเล็กตรอนจึงต้องใช้ฟลูออรีน 2 อะตอม เพื่อรับ 2 อิเล็กตรอน เกิดเป็นสารประกอบแคลเซียมฟลูออไรด์ซึ่งแสดงได้ดังต่อไปนี้เนื่องจากสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบอยู่รวมกัน การจัดเรียงไอออนบวกและไอออนลบในสารประกอบไอออนิกแต่ละชนิดจะเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร
2.1.2 โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบไอออนิกที่ปรากฎอยู่ในสถานะของแข็งมีการจัดเรียงตัวของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นผลึกที่มีโครงสร้างหลากหลาย จากการศึกษาโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) พบว่า
และ
จัดเรียงสลับกันไปอย่างต่อเนื่องทั้งสามมิติโดยที่
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
6 ไอออนและ
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
6 ไอออน (ดังรูป 2.1) โซเดียมคลอไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ
กับ
เป็น 1 : 1 สำหรับแคลเซียมฟลูออไรด์
พบว่า
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
8 ไอออนและ
แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย
4 ไอออน (ดังรูป 2.2 ) แคลเซียมฟลูออไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ
กับ
เป็น 1 : 2 โครงสร้างสารประกอบไอออนิก ชนิดอื่นๆ ก็จะมีไอออนบวกและไอออนลบล้อมรอบซึ่งกันและกันแต่อาจมีจำนวนแตกต่างกัน จะเป็นเท่าใดขึ้นอยู่กับสัดส่วนของจำนวนประจุ ขนาดของไอออนและโครงสร้างผลึก(10).jpg)
รูป 2.1 โครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์
(12).jpg)
รูป 2.2 โครงสร้างผลึกของแคลเซียมฟลูออไรด์
2.1.3 การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารประกอบไอออนิก
เราทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้า ในการเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจึงต้องทราบว่าแต่ละธาตุที่ทำปฏิกิริยากันนั้นจะเกิดเป็นไอออนชนิดใด และมีจำนวนประจุเท่าใด ซึ่งพิจารณาได้จากการจัดอิเล็กตรอนของธาตุ ตัวอย่างไอออนของโลหะและอโลหะศึกษาได้จากรูป 2.3
(9).jpg)
รูป 2.3 ไอออนบวกและไอออนลบของธาตุบางธาตุในตารางธาตุ
ธาตุในหมู่ IA IIA และ IIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนบวก ส่วนใหญ่จะมีประจุค่าเดียว การเรียกชื่อไอออนเหล่านี้ให้เรียกชื่อธาตุลงท้ายด้วยคำว่าไอออน ส่วนธาตุที่เกิดเป็นไอออนบวกได้มากกว่า 1 ชนิด เช่น ธาตุหมู่ IVA ที่อยู่ทางตอนล่างของตารางธาตุและโลหะแทรนซิชัน ให้เรียกชื่อธาตุและระบุประจำที่ปรากฎบนไอออนนั้นด้วยเลขโรมัน สำหรับธาตุหมู่ VA VIA และ VIIA มักเกิดเป็นไอออนลบ ให้เรียกชื่อธาตุแล้วเปลี่ยนท้ายเสียงเป็น ไ-ด์ (-ide) และลงท้ายด้วยคำว่าไอออน ตัวอย่างการเรียกชื่อไอออนบวกและไอออนลบของธาตุ ศึกษาได้จากตาราง 2.1
ตาราง 2.1 การเรียกชื่อไอออนบวกและไอออนลบของธาตุ
| ไอออนบวก | |||||
| ไอออน 1+ | ไอออน 2+ | ไอออน 3+ | |||
![]() | ไฮโดรเจนไอออน | ![]() | แมกนีเซียมไอออน | ![]() | อะลูมิเนียมไอออน |
![]() | โซเดียม ไอออน | ![]() | แคลเซียมไอออน | ![]() | โครเมียม (III) ไอออน |
![]() | โพแทสเซียมไอออน | ![]() | ไอร์ออน (II) ไอออน | ![]() | ไอร์ออน (III) ไอออน |
![]() | คอปเปอร์ (I)ไอออน | ![]() | คอปเปอร์ (II) ไอออน | ||
![]() ![]() | เมอร์คิวรี (I) ไอออน | ![]() | เมอร์คิวรี (II) ไอออน | ||
![]() | ซิลเวอร์ไอออน | ![]() | เลด (II) ไอออน | ||
| ไอออนลบ | |||||
| ไอออน 1- | ไอออน 2- | ไอออน 3- | |||
![]() | ไฮไดร์ไอออน | ![]() | ออกไซด์ไอออน | ![]() | ไนโตรด์ไอออน |
![]() | คลอไรด์ไอออน | ![]() | ซัลไฟด์ไอออน | ![]() | ฟอสไฟด์ไอออน |
![]() | โบรไมด์ไอออน | ![]() | ซีลีไนด์ไอออน | ||
![]() | ไอโอไดด์ไอออน | ![]() | เทลลูไรด์ไอออน | ||
ไอออนบางชนิดประกอบด้วยกลุ่มของอะตอม ให้ถือว่ากลุ่มอะตอมเหล่านั้นแสดงสมบัติเหมือนกับไอออนของอะตอมเดี่ยว แต่เรียกชื่อตามชื่อกลุ่มของไอออนนั้นดังตัวอย่างในตาราง 2.2
ตาราง 2.2 การเรียกชื่อไอออนบวกและไอออนลบที่เป็นกลุ่มอะตอม
ตาราง 2.2 การเรียกชื่อไอออนบวกและไอออนลบที่เป็นกลุ่มอะตอม
| ไอออน | ชื่อ | ไอออน | ชื่อ |
![]() | แอมโมเนียมไอออน | ![]() | ไฮดรอกไซด์ไอออน |
![]() | ไซยาไนด์ไอออน | ![]() | เปอร์แมงกาเนตไอออน |
![]() | ไนไตรต์ไอออน | ![]() | ไนเตรตไอออน |
![]() | ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน | ![]() | คาร์บอเนตไอออน |
![]() | ไฮโดรเจนซัลเฟตไอออน | ![]() | ซัลเฟตไอออน |
![]() | ไธโอซัลเฟตไอออน | ![]() | ไดไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน |
![]() | ไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน | ![]() | ฟอสเฟตไอออน |
การเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจะเขียนสูตรไอออนบวกไว้ข้างหน้าตามด้วยสูตรไอออนลบ และแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบ เช่น
กับ
รวมกันด้วยอัตราส่วน 1 : 1 ได้สารประกอบมีสูตรเป็น NaCl หรือ
กับ
รวมกันด้วยอัตราส่วนของไอออนเป็น 1 : 2 ได้สารประกอบมีสูตรเป็น
แสดงว่าไอออนบวกกับไอออนลบรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกจะรวมกันด้วยอัตราส่วนที่ทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์ เนื่องจากโครงสร้างของสารประกอบไอออนิกมีไอออนบวกและไอออนลบอยู่ต่อเนื่องกันไปทั้งสามมิติโดยไม่แยกเป็นโมเลกุล จึงจัดเป็นสารประกอบที่ไม่มีสูตรโมเลกุล และใช้สูตรเอมพิริคัลแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบแทนสูตรโมเลกุล ดังตาราง 2.3ตาราง 2.3 ตัวอย่างสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากโลหะและอโลหะ (M แทนโลหะ X แทนอโลหะ)
| โลหะหมู่ | อโลหะหมู่ | สูตรเอมพิริคัล | ตัวอย่าง |
| IA IA | VIIA VIA | MX![]() |
NaCL Kl CsF
![]() |
IIA IIA | VIIA VIA | ![]() MX | ![]() BaS SrO MgS |
| IIIA IIIA | VIIA VIA | ![]() | ![]() ![]() |
- สารประกอบไอออนิกที่เกิดจากธาตุหมู่ IA IIA และ IIIA กับธาตุหมู่ VA ควรมีสูตรเอมพิริคัลอย่างไร
การเรียกชื่อสารประกอบไอออนิก ให้เรียกชื่อไอออนบวกตามด้วยไอออนลบและลงท้ายด้วยเสียง ไ-ด์ (-ide) หรือ เ-ต (-ate) หรือ ไ-ต์ (-ite) แล้วแต่กรณี ถ้าโลหะบางชนิดเกิดเป็นไอออนบวกที่มีประจุได้หลายค่า การเรียกชื่อสารประกอบที่เกิดจากไอออนเหล่านี้ต้องระบุประจุของไอออนบวกเพื่อบวดความแตกต่างของสารประกอบด้วยโดยเขียนเป็นเลขโรมันไว้ในวงเล็บหลังชื่อไอออนบวกตัวอย่างการเรียกชื่อสารประกอบไอออนิกแสดงดังตาราง 2.4
ตาราง 2.4 การเรียกชื่อสารประกอบไอออนิกบางชนิด
| สารประกอบ | การเรียกชื่อ | สารประกอบ | การเรียกชื่อ |
KCN![]() ZnS CuO ![]() ![]() | โพแทสเซียมไซยาไนด์ โพแทสเซียมออกไซด์ ซิงค์ซัลไฟด์ คอปเปอร์ (II) ออกไซด์ คอปเปอร์ (I) ออกไซด์ ไอร์ออน (II) ออกไซด์ ไอร์ออน (III) ออกไซด์ | ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() | โซเดียมไนไตรต์ โซเดียมไนเตรต โซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์ แบเรียมฟอสเฟต อะลูมิเนียมซัลเฟต แอมโมเนียมคลอไรด์ |
2.1.4 พลังงานกับการเกิดสารประกอบไอออนิก
การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นด้วย นักเรียนคิดว่าเมื่อโลหะโซเดียมทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างไร
การศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารประกอบไอออนิก วิธีการหนึ่งอาจพิจารณาจากวัฎจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์ ซึ่งพัฒนาโดยแมกซ์ บอร์น และฟริตซ์ฮาเบอร์ โดยการตั้งสมมติฐานว่าการเกิดสารประกอบไอออนิกชนิดหนึ่งๆ มีหลายขั้น ในแต่ละขั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นด้วย เราจะพิจารณาการเกิดโซเดียมคลอไรด์จากปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีน ซึ่งมีขั้นตอนต่างๆ ดังนี้
1. การระเหิดของโซเดียม โลหะโซเดียมสถานะของแข็งระเหิดกลายเป็นอะตอมในสถานะแก๊ส ใช้พลังงาน 107 กิโลจูลต่อโมลของโซเดียมอะตอม เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานการระเหิด
การเกิดปฏิกิริยาเคมีจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นด้วย นักเรียนคิดว่าเมื่อโลหะโซเดียมทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างไร
การศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารประกอบไอออนิก วิธีการหนึ่งอาจพิจารณาจากวัฎจักรบอร์น-ฮาร์เบอร์ ซึ่งพัฒนาโดยแมกซ์ บอร์น และฟริตซ์ฮาเบอร์ โดยการตั้งสมมติฐานว่าการเกิดสารประกอบไอออนิกชนิดหนึ่งๆ มีหลายขั้น ในแต่ละขั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานเกิดขึ้นด้วย เราจะพิจารณาการเกิดโซเดียมคลอไรด์จากปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีน ซึ่งมีขั้นตอนต่างๆ ดังนี้
1. การระเหิดของโซเดียม โลหะโซเดียมสถานะของแข็งระเหิดกลายเป็นอะตอมในสถานะแก๊ส ใช้พลังงาน 107 กิโลจูลต่อโมลของโซเดียมอะตอม เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานการระเหิด

2. การสลายพันธะของแก๊สคลอรีน โมเลกุลของแก๊สใช้พลังงาน 122 กิโลจูลต่อโมลอะตอมของคลอรีน เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานการสลายพันธะ

3. การแตกตัวเป็นไอออนของโซเดียม อะตอมของโซเดียมในสถานะแก๊สเสียอิเล็กตรอนออกไปกลายเป็น
ใช้พลังงาน 496 กิโลจูลต่อโมลอะตอมของโซเดียม เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานไอออไนเซชัน
4. การเกิดคลอไรด์ไอออน อะตอมของคลอรีนในสถานะแก๊สรับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมของโซเดียมกลายเป็น
คายพลังงาน 349 กิโลจูลต่อโมลของคลอไรด์ไอออน พลังงานในขั้นนี้เรียกว่า <สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน>
5. การเกิดโซเดียมคลอไรด์ โซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนในสถานะแก๊สรวมตัวกันเป็นผลึกโซเดียมคลอไรด์และคายพลังงานออกมา 787 กิโลจูลต่อโมลของโซเดียมคลอไรด์ เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานโครงผลึกหรือพลังงานแลตทิซ

ถ้าการเปลี่ยนแปลงพลังงานในแต่ละขั้นเขียนแทนด้วย
ลำดับต่างๆ และพลังงานรวมของปฏิกิริยาเขียนแทนด้วย
เครื่องหมายบวก (+) แทนการดูดพลังงานและเครื่องหมายลบ (-) แทนการคายพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงนั้นๆ สมการแสดงขั้นตอนการเกิดโซเดียมคลอไรด์สามารถเขียนแสดงได้ดังนี้ขั้น 1 Na(s) --> Na(g)
= 107 kJขั้น 2
= 122 kJขั้น 3 Na(g) -->
= 496 kJ ขั้น 4
= -349 kJขั้น 5
= -787 kJ สมการรวมของปฏิกิริยาเขียนแสดงได้ดังนี้
= -411 kJ-
มีความสัมพันธ์กับ
และ
อย่างไรปฏิกิริยาที่มีการดูดพลังงานมากกว่าพลังงานที่คายออกมาจัดเป็นปฏิกิริยาแบบดูดพลังงาน ค่า
จะมีเครื่องหมายเป็นบวก ในทางตรงข้ามปฏิกิริยาที่คายพลังงานมากกว่าพลังงานที่ดูดเข้าไปจัดเป็นปฏิกิริยาแบบคายพลังงาน ค่า
จะมีเครื่องหมายเป็นลบ นักเรียนคิดว่าปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์ ตามตัวอย่างนี้เป็นปฏิกิริยาแบบดูดพลังงานหรือคายพลังงานการเกิดปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์อาจเขียนแผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ดังนี้
(10).jpg)
รูป 2.4 แผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดโซเดียมคลอไรด์ 1 โมล
2.1.5 สมบัติของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบ เมื่อทุบผลึกของสารไอออนิกจะเกิดการเลื่อนไถลของไอออนไปตามระนาบผลึก เป็นผลให้ไอออนชนิดเดียวกันเลื่อนไปอยู่ตรงกัน จึงเกิดแรงผลักระหว่างไอออน ทำให้ผลึกแตกออก ดังรูป 2.5 เราจึงสังเกตพบว่าสารไอออนิกเปราะและแตกได้ง่าย
สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบ เมื่อทุบผลึกของสารไอออนิกจะเกิดการเลื่อนไถลของไอออนไปตามระนาบผลึก เป็นผลให้ไอออนชนิดเดียวกันเลื่อนไปอยู่ตรงกัน จึงเกิดแรงผลักระหว่างไอออน ทำให้ผลึกแตกออก ดังรูป 2.5 เราจึงสังเกตพบว่าสารไอออนิกเปราะและแตกได้ง่าย
รูป 2.5 การจัดเรียงไอออนในผลึกของสารประกอบไอออนิกเมื่อถูกแรงกระทำ
นอกจากนี้สารประกอบไอออนิกที่เป็นผลึกของแข็งไอออนที่เป็นองค์ประกอบจะยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ จึงทำให้ไม่นำไฟฟ้า นักเรียนคิดว่าสารประกอบไอออนิกในสภาพหลอมเหลวหรือละลายอยู่ในน้ำจะได้นำไฟฟ้าได้หรือไม่ เพราะเหตุใด ให้ศึกษาจากรูป 2.6
(8).jpg)
รูป 2.6 สภาพนำไฟฟ้าขอสารประกอบไอออนิก
สมบัติอื่นๆ บางประการของสารประกอบไอออนิกแสดงดังตาราง 2.5
ตาราง 2.5 สมบัติบางประการของสารประกอบไอออนิก
| สารประกอบ | ลักษณะที่ปราก | จุดหลอมเหลว | จุดเดือด ![]() | สภาพละลายได้ในน้ำณ อุณหภูมิ C(g/น้ำ 100g) |
| NaCl | ของแข็งสีขาว | 801 | 1413 | 36.0 |
| LiF | ของแข็งสีขาว | 846 | 1717 | 0.13 |
![]() | ของแข็งสีขาว | 782 | 1600 | 74.5 |
![]() | ของแข็งสีฟ้า | 650 (สลายตัว) | - | 20.7 |
![]() | ของแข็งสีขาว | 2072 | 2980 | ไม่ละลาย |
![]() | ของแข็งสีน้ำตาลแดง | 1565 | - | ไม่ละลาย |
จากข้อมูลในตาราง 2.5 จะพบว่าสารประกอบไอออนิกทุกสารมีสถานุเป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง สารประกอบไอออนิกบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้สูงบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้ต่ำมาก และบางชนิดไม่ละลายในน้ำ การที่สารประกอบไอออนิกมีสภาพละลายได้แตกต่างกันเป็นเพราะเหตุใด การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานหรือไม่ อย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้
การทดลอง 2.1 การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำ
1. บรรจุน้ำ
ไว้ในแคลอริมิเตอร์ วัดอุณหภูมิของน้ำ บันทึกผล2. ใส่คอปเปอร์ (II) ซัลเฟตที่ปราศจากน้ำ 1g ลงในน้ำที่เตรียมไว้ คนสารให้ละลายแล้วรีบปิดฝาแคลอริมิเตอร์ บันทึกอุณหภูมิสูงสุดหรือต่ำสุดของสารละลายที่เปลี่ยนแปลง
3. ทำการทดลองเช่นเดียวกับข้อ 1 - 2 แต่ใช้โซเดียมคลอไรด์และแอมโมเนียมคลอไรด์แทน
- สารทั้งสามชนิดละลายในน้ำได้แตกต่างกันอย่างไร
- การละลายของสารแต่ละชนิดในน้ำมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานหรือไม่ อย่างไร
สภาพละลายได้ของสาร
เป็นความสามารถของสารที่จะละลายในสารอื่นจนเป็นสารละลายอิ่มตัวสภาพละลายได้ส่วนใหญ่หมายถึงการละลายของสารในน้ำ
* การบอกสภาพละลายได้โดยทั่วไปมี 3 ระดับคือ
- ละลายได้ดี หมายถึงละลายได้มากกว่า 1 กรัมในน้ำ 100 กรัม
- ละลายได้เล็กน้อยหรือละลายได้บางส่วน หมายถึงละลายได้มากกว่า 0.1 กรัม แต่ไม่เกิน 1 กรัมในน้ำ 100 กรัม
- ไม่ละลาย หมายถึงละลายได้น้อยกว่า 0.1 กรัมในน้ำ 100 กรัม
คอปเปอร์ (II) ซัลเฟตปราศจากน้ำเป็นของแข็งสีขาวเมื่อใส่ลงไปในน้ำจะละลายอย่างช้าๆ ได้สารละลายสีฟ้าอุณหภูมิของสารละลายเพิ่มสูงขึ้นกว่าอุณหภูมิเดิมของน้ำ แต่แอมโมเนียมคลอไรด์ละลายในน้ำได้อย่างรวดเร็วและอุณหภูมิของสารละลายลดต่ำลงกว่าอุณหภูมิน้ำ ส่วนการละลายของโซเดียมคลอไรด์ไม่ทำให้อุณหภูมิน้ำ ส่วนการละลายของโซเดียมคลอไรด์ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงจากผลการทดลองดังกล่าวช่วยให้สรุปได้ว่า การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำมีทั้งการคายพลังงานและดูดพลังงาน นักเรียนอธิบายได้หรือไม่ว่าพลังงานเกี่ยวข้องกับการละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำอย่างไร
การละลายของสารเป็นการกระจายของตัวละลายเข้าไปอยู่ระหว่างอนุภาคของตัวทำละลาย ขณะที่สารเกิดการละลาย แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคในตัวละลายและตัวทำละลายจะถูกทำลาย ในขณะเดียวกันก็มีการสร้างแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของตัวทำละลายกับอนุภาคของตัวละลาย การเปลี่ยนแปลงในกระบวนการเกิดสารละลายเขียนแผนภาพแสดงได้ดังรูป 2.7
(8).jpg)
รูป 2.7 การเปลี่ยนแปลงในกระบวนการเกิดสารละลาย
การละลายในน้ำของโซเดียมคลอไรด์ซึ่งเป็นสารประกอบไอออนิกอธิบายได้ว่า ขั้นแรกโมเลกุลของน้ำจะดึงดูดกับโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนให้หลุดออกจากโครงผลึกซึ่งต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่ง
พลังงานที่ดูดกลืนเข้าไปนี้จะเท่ากับ <b>พลังงานแลตทิซ</b> ขั้นที่สองไอออนแต่ละชนิดที่หลุดออกจากโครงผลึกจะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำ โดยโมเลกุลของน้ำจะหันด้านที่มีขั้วตรงข้ามเข้าหา เกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับทั้งโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออน และจะคายพลังงานออกมาปริมาณหนึ่ง
พลังงานที่คายออกในขั้นนี้เรียกว่า <b>พลังงานไฮเดรชัน</b> เมื่อไอออนที่ผิวหน้าหลุดออกไปรวมกับน้ำ ไอออนที่อยู่ถัดเข้าไปจะเกิดการละลายต่อเนื่องกันไปจนโซเดียมคลอไรด์ละลายหมด การละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำเขียนแผนภาพแสดงได้ดังรูป 2.8 (7).jpg)
รูป 2.8 แผนภาพการละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ
พลังงานแลตทิซ คือพลังงานที่คายออกเมื่อไอออนบวกกับไอออนลบในสถานะแก๊สรวมตัวกันเกิดเป็นโครงผลึกส่วนการทำให้ไอออนบวกและไอออนลบในโครงผลึกหลุดออกมาเป็นกระบวนการย้อนกลับ จึงต้องใช้พลังงานเท่ากับพลังงานแลตทิซ
การละลายของคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตในน้ำก็อธิบายได้ลักษณะเดียวกัน และจากผลการทดลองซึ่งพบว่าอุณหภูมิของสารละลายสูงกว่าอุณหภูมิเดิมของน้ำ แสดงว่าพลังงาน
มีค่ามากกว่าพลังงาน
พลังงานส่วนเกินที่คายออกมาจึงทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น แผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตเขียนแสดงได้ดังนี้(8).jpg)
รูป 2.9 แผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟต
สำหรับการละลายของแอมโมเนียคลอไรด์ในน้ำซึ่งจากผลการทดลองพบว่าสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์มีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิเดิมของน้ำ นักเรียนคิดว่าแผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารละลายแอมโมดเนียมคลอไรด์ควรเป็นอย่างไร
การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำจะพบว่าส่วนมากละลายน้ำได้ดี แต่ก็มีบางสารที่ไม่ละลายน้ำหรือละลายน้ำได้น้อยมาก จากข้อมูลที่ศึกษาผ่านมาแล้วคงช่วยให้นักเรียนตั้งข้อสังเกตได้ว่า การที่สารประกอบไอออนิกละลายได้น้อยหรือไม่ละลายเป็นเพราะไอออนบวกและไอออนลบยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงสูงมากจนโมเลกุลของน้ำไม่สามารถทำให้ไอออนทั้งสองแยกออกจากกันหรือแยกออกจากกันได้ยากมาก การกำหนดว่าสารใดละลายได้มากน้อยเพียงใดพิจารณาได้จากข้อมูลเกี่ยวกับสภาพละลายได้ในน้ำของสารนั้น (ศึกษาได้จากภาคผนกหรือหนังสือรวมข้อมูลทั่วไป) ร่วมกับเกณฑ์การบอกสภาพละลายได้ทั้ง 3 ระดับคือ ละลายได้ดี ละลายได้เล็กน้อยหรือละลายได้บางส่วนและไม่ละลาย ดังที่กล่าวมาแล้ว
- จงสืบค้นข้อมูล และอภิปรายร่วมกันว่าอุณหภูมิมีผลต่อการละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำหรือไม่ อย่างไร
2.1.6 ปฏิกิริยาของสารประกอบไอออนิก
เมื่อนำสารละลายของสารประกอบไอออนิก 2 ชนิดมาผสมกัน จะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้
การทดลอง 2.2 การเกิดปฏิกิริยาของสารประกอบไอออนิก
1. เลือกสารละลายต่อไปนี้
หรือ KI มา 1 ชนิด ใส่ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก 3 หลอดๆ และ 
2. เติมสารละลาย
และ
อย่างละ
ลงในหลอดที่ 1 2 และ 3 หลอดละชนิดตามลำดับ สังเกตการเปลี่ยนแปลงบันทึกผล- สารละลายที่ผสมกัน คู่ใดบ้างที่เกิดปฏิกิริยาเคมีทราบได้อย่างไร
- สมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร
นักเรียนทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกที่ละลายในน้ำ ไอออนบวกและไอออนลบที่เป็นองค์ประกอบของสารจะแยกออกจากกันและถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำหลายโมเลกุล เมื่อผสมสารละลายแคลเซียมไฮดรอกไซด์
กับสารละลายโซเดียมคาร์บอเนต
แล้วพบว่ามีตะกอนสีขาวเกิดขึ้น ตะกอนนี้ไม่ควรเป็นโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เพราะว่า NaOH ละลายได้ในน้ำและแตกตัวเป็นไอออนอยู่ในของเหลว ดังนั้นจึงเป็นตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต
ดังแสดงในรูป 2.10(8).jpg)
รูป 2.10 ปฏิกิริยาระหว่างสารละลาย
กับ
การผสมสารละลายแคลเซียมไฮดรอกไซด์กับโซเดียมคอร์บอเนตได้ตะกอนสีขาวของแคลเซียมคาร์บอเนตเกิดขึ้นเขียนสมการแสดงได้ดังนี้

สมการที่แสดงไอออนอิสระของสารประกอบไอออนิกในสารละลายครบทุกชนิดเช่นนี้เรียกว่า สมการไอออนิก เนื่องจากในปฏิกิริยานี้มี
และ
ปรากฎอยู่ทั้งสองด้านและไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาจึงตัดออกไปได้ ส่วนไอออนที่ทำปฎิกิริยาแล้วได้ผลิตภัณฑ์คือ
กับ
เท่านั้น จึงเขียนสมการได้เป็นดังนี้สมการเคมีที่แสดงเฉพาะไอออนที่เข้าทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดเป็นผลิตภัณฑ์เรียกว่า <b>สมการไอออนิกสุทธิ</b>
สมการไอออนิกสุทธิที่สมบูรณ์จะต้องทำให้ดุลทั้งจำนวนอะตอมและจำนวนประจุโดยเติมเลขข้างหน้าอนุภาคที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา เช่น
- ถ้าผสมสารละลาย NaCI กับสารละลาย KI จะเขียนสมการไอออนิกสุทธิแสดงปฏิกิริยาได้หรือไม่เพราะเหตุใด

























































C



ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น