วันอาทิตย์ที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2561

บทที่3.พันธะเคมี(3.2)

3.2พันธะไอออนิก

      สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง  ของเหลว  หรือแก๊ส  เช่น  เหล็ก  ทองแดง  เกลือแกง  น้ำตาลทราย  น้ำ  แก๊สไฮโดรเจน  สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง  \displaystyle 1535^ \circ Cการทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง \displaystyle 801^ \circ Cการสลายโมเลกุลของไฮโดรเจนให้เป็นอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะแก๊สต้องใช้พลังงาน 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 
\displaystyle ns^2 np^6 ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ยกเว้นฮีเลียมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ส่วนธาตุอื่นๆ มักทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารประกอบเพื่อจะปรับให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 8 เท่ากับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแก๊สเฉื่อย แสดงว่าอะตอมที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เป็นสภาพที่เสถียรที่สุด การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้เรียกว่า กฎออกเตต การเกิดสารประกอบระหว่างอะตอมของโลหะจะมีลักษณะการรวมตัวอย่างไรศึกษาได้จากตัวอย่างการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์และแคลเซียมฟลูออไรด์ต่อไปนี้
 


          โซเดียมมีเลขอะตอม 11  จัดอิเล็กตรอนเป็น  \displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^1ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น \displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน \displaystyle (Na^+ ) ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ \displaystyle ls^2 2s^2 2p^6ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นคลอไรด์ไอออน \displaystyle (Na^- ) ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุอาร์กอนคือ \displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6  ดังนั้นเมื่อโลหะโซเดียมทำปฎิกิริยากับแก๊สคลอรีนจะเกิดการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมทั้งสองเกิดเป็นโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออน ไอออนทั้งสองมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเกิดเป็นพันธะไอออนิกแรงดึงดูดระหว่างโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนเช่นนี้จะเกิดต่อเนื่องกันไปเป็นโครงผลึกขนาดใหญ่ และเรียกสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกว่า สารประกอบไอออนิก

           การรวมตัวระหว่างธาตุแคลเซียมกับฟลูออรีนก็สามารถอธิบายได้ในทำนองเดียวกันดังนี้ แคลเซียมมีเลขอะตอม 20 จัด   อิเล็กตรอนเป็น \displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2  แคลเซียมจึงให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน  2  อิเล็กตรอนแก่ฟลูออรีนเกิดเป็นแคลเซียมไอออน  \displaystyle (Ca^{2+} )  ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนธาตุอาร์กอนคือ \displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 ส่วนฟลูออรีนมีเลขอะตอม 9 จัดอิเล็กตรอนเป็น \displaystyle ls^2 2s^2 2p^5 และฟลูออรีน 1  อะตอมจะรับ  1  อิเล็กตรอนเกิดเป็นฟลูออไรด์ไอออน  \displaystyle (F^- )  ซึ่งจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออน แต่แคลเซียม 1 อะตอมให้ 2 อิเล็กตรอนจึงต้องใช้ฟลูออรีน 2 อะตอม เพื่อรับ 2 อิเล็กตรอน เกิดเป็นสารประกอบแคลเซียมฟลูออไรด์ซึ่งแสดงได้ดังต่อไปนี้
 

         เนื่องจากสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบอยู่รวมกัน การจัดเรียงไอออนบวกและไอออนลบในสารประกอบไอออนิกแต่ละชนิดจะเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร

2.1.2  โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก
          สารประกอบไอออนิกที่ปรากฎอยู่ในสถานะของแข็งมีการจัดเรียงตัวของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นผลึกที่มีโครงสร้างหลากหลาย จากการศึกษาโซเดียมคลอไรด์  (NaCl)  พบว่า  \displaystyle (Na^ + )  และ  \displaystyle (Cl^ - )   จัดเรียงสลับกันไปอย่างต่อเนื่องทั้งสามมิติโดยที่  \displaystyle (Na^ + )   แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย \displaystyle (Cl^ - )      6  ไอออนและ  \displaystyle (Cl^ -)  แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย  \displaystyle (Na^ + )   6  ไอออน (ดังรูป 2.1) โซเดียมคลอไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ  \displaystyle (Na^ + )  กับ  \displaystyle (Cl^ - )  เป็น 1 : 1  สำหรับแคลเซียมฟลูออไรด์ \displaystyle (CaF_2)  พบว่า  \displaystyle Ca^{2+}  แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย  \displaystyle (F^- )  8  ไอออนและ  \displaystyle (F^- )   แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย  \displaystyle Ca^{2+}  4 ไอออน (ดังรูป 2.2 ) แคลเซียมฟลูออไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ  \displaystyle Ca^{2+}  กับ  \displaystyle (F^- )   เป็น 1 : 2  โครงสร้างสารประกอบไอออนิก ชนิดอื่นๆ ก็จะมีไอออนบวกและไอออนลบล้อมรอบซึ่งกันและกันแต่อาจมีจำนวนแตกต่างกัน จะเป็นเท่าใดขึ้นอยู่กับสัดส่วนของจำนวนประจุ ขนาดของไอออนและโครงสร้างผลึก

 
รูป 2.1  โครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์

 
รูป 2.2  โครงสร้างผลึกของแคลเซียมฟลูออไรด์


2.1.3   การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารประกอบไอออนิก
          เราทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้า ในการเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจึงต้องทราบว่าแต่ละธาตุที่ทำปฏิกิริยากันนั้นจะเกิดเป็นไอออนชนิดใด และมีจำนวนประจุเท่าใด ซึ่งพิจารณาได้จากการจัดอิเล็กตรอนของธาตุ ตัวอย่างไอออนของโลหะและอโลหะศึกษาได้จากรูป 2.3

 
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+
\displaystyle H^ +ไฮโดรเจนไอออน\displaystyle Mg^{2 + }แมกนีเซียมไอออน\displaystyle Al^{3 + }อะลูมิเนียมไอออน
\displaystyle Na^ +โซเดียม ไอออน\displaystyle Ca^{2 + }แคลเซียมไอออน\displaystyle Cr^{3 + }โครเมียม (III) ไอออน
\displaystyle K^ +โพแทสเซียมไอออน\displaystyle Fe^{2 + }ไอร์ออน (II) ไอออน\displaystyle Fe^{3 + }ไอร์ออน (III) ไอออน
\displaystyle Cu^ +คอปเปอร์ (I)ไอออน\displaystyle Cu^{2 + }คอปเปอร์ (II) ไอออน   
\displaystyle Hg^ +
\displaystyle (Hg_2 ^{2 + } )
เมอร์คิวรี (I) ไอออน\displaystyle Hg^{2 + }  เมอร์คิวรี (II) ไอออน        
\displaystyle Ag^ +ซิลเวอร์ไอออน\displaystyle Pb^{2 + }เลด (II) ไอออน         
ไอออนลบ
ไอออน 1-ไอออน 2-ไอออน 3-
\displaystyle H^ -ไฮไดร์ไอออน\displaystyle O^{2 - }ออกไซด์ไอออน\displaystyle N^{3 - }ไนโตรด์ไอออน
\displaystyle Cl^ -คลอไรด์ไอออน\displaystyle S^{2 - }ซัลไฟด์ไอออน\displaystyle P^{3 - }ฟอสไฟด์ไอออน
\displaystyle Br^ -โบรไมด์ไอออน\displaystyle Se^{2 - }ซีลีไนด์ไอออน  
\displaystyle I^ -ไอโอไดด์ไอออน\displaystyle Te^{2 - }เทลลูไรด์ไอออน     
      

          ไอออนบางชนิดประกอบด้วยกลุ่มของอะตอม ให้ถือว่ากลุ่มอะตอมเหล่านั้นแสดงสมบัติเหมือนกับไอออนของอะตอมเดี่ยว แต่เรียกชื่อตามชื่อกลุ่มของไอออนนั้นดังตัวอย่างในตาราง 2.2

ตาราง  2.2  การเรียกชื่อไอออนบวกและไอออนลบที่เป็นกลุ่มอะตอม
ไอออนชื่อไอออนชื่อ
\displaystyle NH_4 ^ +แอมโมเนียมไอออน\displaystyle OH^ -ไฮดรอกไซด์ไอออน
\displaystyle CN^ -ไซยาไนด์ไอออน\displaystyle MnO_4 ^ -เปอร์แมงกาเนตไอออน
\displaystyle NO_2 ^ -ไนไตรต์ไอออน\displaystyle NO_3 ^ -ไนเตรตไอออน
\displaystyle NCO_3 ^ -ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน\displaystyle PO_3 ^{2 - }คาร์บอเนตไอออน
\displaystyle NSO_4 ^ -ไฮโดรเจนซัลเฟตไอออน\displaystyle SO_4 ^{2 - }ซัลเฟตไอออน
\displaystyle S_2 O_3 ^{2 - }ไธโอซัลเฟตไอออน \displaystyle H_2 PO_4 ^ -ไดไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน
\displaystyle HPO_4 ^{2 - }ไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน\displaystyle PO_4 ^{3 - }ฟอสเฟตไอออน

          การเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจะเขียนสูตรไอออนบวกไว้ข้างหน้าตามด้วยสูตรไอออนลบ และแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบ เช่น  \displaystyle Na^ +  กับ  \displaystyle Cl^ -  รวมกันด้วยอัตราส่วน 1 : 1 ได้สารประกอบมีสูตรเป็น NaCl  หรือ  \displaystyle Ca^{2 + }  กับ  \displaystyle F^ -  รวมกันด้วยอัตราส่วนของไอออนเป็น 1 : 2  ได้สารประกอบมีสูตรเป็น \displaystyle CaF_2แสดงว่าไอออนบวกกับไอออนลบรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกจะรวมกันด้วยอัตราส่วนที่ทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์ เนื่องจากโครงสร้างของสารประกอบไอออนิกมีไอออนบวกและไอออนลบอยู่ต่อเนื่องกันไปทั้งสามมิติโดยไม่แยกเป็นโมเลกุล จึงจัดเป็นสารประกอบที่ไม่มีสูตรโมเลกุล และใช้สูตรเอมพิริคัลแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบแทนสูตรโมเลกุล ดังตาราง 2.3

ตาราง 2.3  ตัวอย่างสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากโลหะและอโลหะ (M แทนโลหะ X แทนอโลหะ)
โลหะหมู่อโลหะหมู่สูตรเอมพิริคัลตัวอย่าง
IA
IA
VIIA
VIA
MX
\displaystyle M_2 X
NaCL   Kl   CsF
\displaystyle Li_2 O   \displaystyle K_2 O   \displaystyle Na_2 S

IIA
IIA
VIIA
VIA
\displaystyle MX_2
MX
  \displaystyle MgCl_2   \displaystyle SrBr_2   \displaystyle CaI_2
BaS   SrO   MgS
IIIA
IIIA
VIIA
VIA
\displaystyle MX_3
\displaystyle M_2 X_3    
\displaystyle AlF_3
\displaystyle Al_2 O_3

           - 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
สารประกอบการเรียกชื่อสารประกอบการเรียกชื่อ
KCN
\displaystyle K_2 O
ZnS
CuO
\displaystyle Cu_2 O
\displaystyle FeCl_2
\displaystyle FeCl_3  
โพแทสเซียมไซยาไนด์
โพแทสเซียมออกไซด์
ซิงค์ซัลไฟด์
คอปเปอร์ (II) ออกไซด์
คอปเปอร์ (I) ออกไซด์
ไอร์ออน (II) ออกไซด์
ไอร์ออน (III) ออกไซด์   
\displaystyle NaNO_2
\displaystyle NaNO_3
\displaystyle NaHCO_3
\displaystyle Mg(OH)_2
\displaystyle Ba_3 (PO_4 )_2
\displaystyle Al_2 (SO_4 )_3 
\displaystyle NH_4 Cl
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

\displaystyle Na(s) \to Cl(g)


2.  การสลายพันธะของแก๊สคลอรีน โมเลกุลของแก๊สใช้พลังงาน 122 กิโลจูลต่อโมลอะตอมของคลอรีน เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานการสลายพันธะ

\displaystyle \frac{1}{2}Cl_2 (g) \to Cl(g)


3.  การแตกตัวเป็นไอออนของโซเดียม  อะตอมของโซเดียมในสถานะแก๊สเสียอิเล็กตรอนออกไปกลายเป็น \displaystyle Na^ +ใช้พลังงาน  496  กิโลจูลต่อโมลอะตอมของโซเดียม เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานไอออไนเซชัน

\displaystyle Na(g) \to Na^ + (g) + e^ -

4.  การเกิดคลอไรด์ไอออน  อะตอมของคลอรีนในสถานะแก๊สรับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมของโซเดียมกลายเป็น  \displaystyle Cl^ -คายพลังงาน  349  กิโลจูลต่อโมลของคลอไรด์ไอออน พลังงานในขั้นนี้เรียกว่า <สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน>

5.  การเกิดโซเดียมคลอไรด์  โซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนในสถานะแก๊สรวมตัวกันเป็นผลึกโซเดียมคลอไรด์และคายพลังงานออกมา 787 กิโลจูลต่อโมลของโซเดียมคลอไรด์ เรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า พลังงานโครงผลึกหรือพลังงานแลตทิซ

\displaystyle Na^ + (g) + Cl^ - (g) \to NaCl(s)


          ถ้าการเปลี่ยนแปลงพลังงานในแต่ละขั้นเขียนแทนด้วย  \displaystyle \Delta H  ลำดับต่างๆ และพลังงานรวมของปฏิกิริยาเขียนแทนด้วย \displaystyle \Delta H_f  เครื่องหมายบวก (+) แทนการดูดพลังงานและเครื่องหมายลบ (-) แทนการคายพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงนั้นๆ สมการแสดงขั้นตอนการเกิดโซเดียมคลอไรด์สามารถเขียนแสดงได้ดังนี้

ขั้น  1     Na(s)  -->  Na(g)                         \displaystyle \Delta H_1 =  107 kJ
ขั้น  2    \displaystyle \frac{1}{2}Cl_2 (g) \to Cl(g)                     \displaystyle \Delta H_2  =  122 kJ
ขั้น  3     Na(g) -->     \displaystyle Na^ + (g) + e^ -            \displaystyle \Delta H_3   =  496 kJ 
ขั้น  4     \displaystyle Cl(g) + e^- \to                          \displaystyle \Delta H_4 =  -349  kJ
ขั้น  5     \displaystyle Na^+ (g) + Cl^ - (g)&nbsp; \to NaCl(s)                     \displaystyle \Delta H_5 =  -787  kJ 


สมการรวมของปฏิกิริยาเขียนแสดงได้ดังนี้
                                    \displaystyle Na(s)+\frac{1}{2}Cl_2 (g) \to NaCl(s)                       \displaystyle \Delta H_f   =  -411  kJ
                  - \displaystyle \Delta H_f มีความสัมพันธ์กับ\displaystyle \Delta H_1  \displaystyle \Delta H_2 \displaystyle \Delta H_3    \displaystyle \Delta H_4และ\displaystyle \Delta H_5 อย่างไร

                  ปฏิกิริยาที่มีการดูดพลังงานมากกว่าพลังงานที่คายออกมาจัดเป็นปฏิกิริยาแบบดูดพลังงาน ค่า \displaystyle \Delta H_f จะมีเครื่องหมายเป็นบวก ในทางตรงข้ามปฏิกิริยาที่คายพลังงานมากกว่าพลังงานที่ดูดเข้าไปจัดเป็นปฏิกิริยาแบบคายพลังงาน ค่า\displaystyle \Delta H_f จะมีเครื่องหมายเป็นลบ นักเรียนคิดว่าปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์ ตามตัวอย่างนี้เป็นปฏิกิริยาแบบดูดพลังงานหรือคายพลังงาน

                  การเกิดปฏิกิริยาระหว่างโลหะโซเดียมกับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์อาจเขียนแผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ดังนี้
 

รูป  2.4  แผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดโซเดียมคลอไรด์ 1 โมล


2.1.5  สมบัติของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบ เมื่อทุบผลึกของสารไอออนิกจะเกิดการเลื่อนไถลของไอออนไปตามระนาบผลึก เป็นผลให้ไอออนชนิดเดียวกันเลื่อนไปอยู่ตรงกัน จึงเกิดแรงผลักระหว่างไอออน ทำให้ผลึกแตกออก ดังรูป  2.5  เราจึงสังเกตพบว่าสารไอออนิกเปราะและแตกได้ง่าย
 
รูป  2.5  การจัดเรียงไอออนในผลึกของสารประกอบไอออนิกเมื่อถูกแรงกระทำ


                  นอกจากนี้สารประกอบไอออนิกที่เป็นผลึกของแข็งไอออนที่เป็นองค์ประกอบจะยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ จึงทำให้ไม่นำไฟฟ้า นักเรียนคิดว่าสารประกอบไอออนิกในสภาพหลอมเหลวหรือละลายอยู่ในน้ำจะได้นำไฟฟ้าได้หรือไม่ เพราะเหตุใด ให้ศึกษาจากรูป 2.6
 

รูป  2.6  สภาพนำไฟฟ้าขอสารประกอบไอออนิก


                  สมบัติอื่นๆ บางประการของสารประกอบไอออนิกแสดงดังตาราง  2.5  

ตาราง  2.5  สมบัติบางประการของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบลักษณะที่ปรากจุดหลอมเหลว
\displaystyle (^\circ C)  

       จุดเดือด
\displaystyle (^\circ C)
สภาพละลายได้ในน้ำณ อุณหภูมิ \displaystyle 20^\circC
(g/น้ำ 100g)
NaClของแข็งสีขาว801141336.0
LiFของแข็งสีขาว84617170.13
\displaystyle CaCl_2ของแข็งสีขาว782160074.5
\displaystyle CuSO_4 \cdot 5H_2 Oของแข็งสีฟ้า650 (สลายตัว)-20.7
\displaystyle Al_2 O_3ของแข็งสีขาว20722980ไม่ละลาย
\displaystyle Fe_2 O_3ของแข็งสีน้ำตาลแดง1565-ไม่ละลาย
   
                  จากข้อมูลในตาราง 2.5  จะพบว่าสารประกอบไอออนิกทุกสารมีสถานุเป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง สารประกอบไอออนิกบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้สูงบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้ต่ำมาก และบางชนิดไม่ละลายในน้ำ การที่สารประกอบไอออนิกมีสภาพละลายได้แตกต่างกันเป็นเพราะเหตุใด การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานหรือไม่ อย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้

การทดลอง 2.1  การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำ
1.  บรรจุน้ำ \displaystyle 25cm^3ไว้ในแคลอริมิเตอร์ วัดอุณหภูมิของน้ำ บันทึกผล
2.  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 
 

รูป 2.7  การเปลี่ยนแปลงในกระบวนการเกิดสารละลาย


                  การละลายในน้ำของโซเดียมคลอไรด์ซึ่งเป็นสารประกอบไอออนิกอธิบายได้ว่า ขั้นแรกโมเลกุลของน้ำจะดึงดูดกับโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนให้หลุดออกจากโครงผลึกซึ่งต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่ง\displaystyle (E_1)พลังงานที่ดูดกลืนเข้าไปนี้จะเท่ากับ <b>พลังงานแลตทิซ</b> ขั้นที่สองไอออนแต่ละชนิดที่หลุดออกจากโครงผลึกจะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำ โดยโมเลกุลของน้ำจะหันด้านที่มีขั้วตรงข้ามเข้าหา เกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับทั้งโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออน และจะคายพลังงานออกมาปริมาณหนึ่ง \displaystyle (E_2)พลังงานที่คายออกในขั้นนี้เรียกว่า <b>พลังงานไฮเดรชัน</b> เมื่อไอออนที่ผิวหน้าหลุดออกไปรวมกับน้ำ ไอออนที่อยู่ถัดเข้าไปจะเกิดการละลายต่อเนื่องกันไปจนโซเดียมคลอไรด์ละลายหมด การละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำเขียนแผนภาพแสดงได้ดังรูป 2.8    

 
รูป 2.8  แผนภาพการละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ


  พลังงานแลตทิซ  คือพลังงานที่คายออกเมื่อไอออนบวกกับไอออนลบในสถานะแก๊สรวมตัวกันเกิดเป็นโครงผลึกส่วนการทำให้ไอออนบวกและไอออนลบในโครงผลึกหลุดออกมาเป็นกระบวนการย้อนกลับ จึงต้องใช้พลังงานเท่ากับพลังงานแลตทิซ

                  การละลายของคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตในน้ำก็อธิบายได้ลักษณะเดียวกัน และจากผลการทดลองซึ่งพบว่าอุณหภูมิของสารละลายสูงกว่าอุณหภูมิเดิมของน้ำ แสดงว่าพลังงาน\displaystyle E_2มีค่ามากกว่าพลังงาน \displaystyle E_1พลังงานส่วนเกินที่คายออกมาจึงทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น แผนภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานในการเกิดสารละลายคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตเขียนแสดงได้ดังนี้

 
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 \displaystyle Ca(OH)_2     \displaystyle Na_2 SO_4หรือ KI มา 1 ชนิด ใส่ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก 3 หลอดๆ และ   \displaystyle 1cm^3
                  2.  เติมสารละลาย \displaystyle Na_2 CO_3    \displaystyle NH_4 Clและ  \displaystyle Pb(NO_3 )_2 อย่างละ\displaystyle 1cm^3ลงในหลอดที่ 1  2  และ 3  หลอดละชนิดตามลำดับ สังเกตการเปลี่ยนแปลงบันทึกผล

                  -  สารละลายที่ผสมกัน คู่ใดบ้างที่เกิดปฏิกิริยาเคมีทราบได้อย่างไร
                  -  สมการแสดงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเป็นอย่างไร

                  นักเรียนทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกที่ละลายในน้ำ ไอออนบวกและไอออนลบที่เป็นองค์ประกอบของสารจะแยกออกจากกันและถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำหลายโมเลกุล เมื่อผสมสารละลายแคลเซียมไฮดรอกไซด์  \displaystyle (Na_2 CO_3)กับสารละลายโซเดียมคาร์บอเนต  \displaystyle (Ca(OH)_2 แล้วพบว่ามีตะกอนสีขาวเกิดขึ้น ตะกอนนี้ไม่ควรเป็นโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เพราะว่า NaOH ละลายได้ในน้ำและแตกตัวเป็นไอออนอยู่ในของเหลว ดังนั้นจึงเป็นตะกอนของแคลเซียมคาร์บอเนต \displaystyle (CaCO_3 )ดังแสดงในรูป 2.10
 

รูป 2.10  ปฏิกิริยาระหว่างสารละลาย \displaystyle Ca(OH)_2 กับ\displaystyle Na_2 CO_3


                  การผสมสารละลายแคลเซียมไฮดรอกไซด์กับโซเดียมคอร์บอเนตได้ตะกอนสีขาวของแคลเซียมคาร์บอเนตเกิดขึ้นเขียนสมการแสดงได้ดังนี้

                   \displaystyle Ca^{2^ + } (aq) + 2OH^ - (aq) +2Na^+ (aq) + CO_3 ^{2^- } (aq) \to CaCO_3(s)+2OH^ - (aq) + 2Na^+ (aq)

                  สมการที่แสดงไอออนอิสระของสารประกอบไอออนิกในสารละลายครบทุกชนิดเช่นนี้เรียกว่า สมการไอออนิก เนื่องจากในปฏิกิริยานี้มี\displaystyle OH^-และ  \displaystyle Na^ +ปรากฎอยู่ทั้งสองด้านและไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาจึงตัดออกไปได้ ส่วนไอออนที่ทำปฎิกิริยาแล้วได้ผลิตภัณฑ์คือ \displaystyle Ca^{2^ +&nbsp; } กับ  \displaystyle CO_3^{2^ -&nbsp; }เท่านั้น จึงเขียนสมการได้เป็นดังนี้

 

                  สมการเคมีที่แสดงเฉพาะไอออนที่เข้าทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดเป็นผลิตภัณฑ์เรียกว่า <b>สมการไอออนิกสุทธิ</b>
                  สมการไอออนิกสุทธิที่สมบูรณ์จะต้องทำให้ดุลทั้งจำนวนอะตอมและจำนวนประจุโดยเติมเลขข้างหน้าอนุภาคที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา เช่น
 

                  - ถ้าผสมสารละลาย NaCI กับสารละลาย KI จะเขียนสมการไอออนิกสุทธิแสดงปฏิกิริยาได้หรือไม่เพราะเหตุใด

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น