chemistry: บทที่3.พันธะเคมี(3.2)

3.2พันธะไอออนิก

สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เช่น เหล็ก ทองแดง เกลือแกง น้ำตาลทราย น้ำ แก๊สไฮโดรเจน สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง $\displaystyle 1535^ \circ C$ การทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง $\displaystyle 801^ \circ C$ การสลายโมเลกุลของไฮโดรเจนให้เป็นอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะแก๊สต้องใช้พลังงาน 436 กิโลจูลต่อโมล จากตัวอย่างดังกล่าวเป็นหลักฐานที่แสดงว่ามีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร

 แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารอาจเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในก้อนโลหะ แรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนในสารประกอบไอออนิกให้อยู่ร่วมกันเป็นผลึก หรือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุให้อยู่รวมกันเป็นโมเลกุล แรงยึดเหนี่ยวดังตัวอย่างข้างต้นนี้เรียกว่าพันธะเคมี

 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 $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^1$ ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน $\displaystyle (Na^+ )$ ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6$ ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่ 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

ไอออน	ชื่อ	ไอออน	ชื่อ
$\displaystyle NH_4 ^ +$	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 $\displaystyle CaF_2$ แสดงว่าไอออนบวกกับไอออนลบรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกจะรวมกันด้วยอัตราส่วนที่ทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์ เนื่องจากโครงสร้างของสารประกอบไอออนิกมีไอออนบวกและไอออนลบอยู่ต่อเนื่องกันไปทั้งสามมิติโดยไม่แยกเป็นโมเลกุล จึงจัดเป็นสารประกอบที่ไม่มีสูตรโมเลกุล และใช้สูตรเอมพิริคัลแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบแทนสูตรโมเลกุล ดังตาราง 2.3

ตาราง 2.3 ตัวอย่างสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากโลหะและอโลหะ (M แทนโลหะ X แทนอโลหะ)

โลหะหมู่	อโลหะหมู่	สูตรเอมพิริคัล	ตัวอย่าง
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

สารประกอบ	การเรียกชื่อ	สารประกอบ	การเรียกชื่อ
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      $\displaystyle Na^+ (g) + Cl^ - (g)  \to NaCl(s)$                      $\displaystyle \Delta H_5$ = -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 $\displaystyle \Delta H_1$    $\displaystyle \Delta H_2$ $\displaystyle \Delta H_3$      $\displaystyle \Delta H_4$ และ $\displaystyle \Delta H_5$ 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

สารประกอบ	ลักษณะที่ปราก	จุดหลอมเหลว $\displaystyle (^\circ C)$	จุดเดือด $\displaystyle (^\circ C)$	สภาพละลายได้ในน้ำณ อุณหภูมิ $\displaystyle 20^\circ$ C (g/น้ำ 100g)
NaCl	ของแข็งสีขาว	801	1413	36.0
LiF	ของแข็งสีขาว	846	1717	0.13
$\displaystyle CaCl_2$	ของแข็งสีขาว	782	1600	74.5
$\displaystyle CuSO_4 \cdot 5H_2 O$	ของแข็งสีฟ้า	650 (สลายตัว)	-	20.7
$\displaystyle Al_2 O_3$	ของแข็งสีขาว	2072	2980	ไม่ละลาย
$\displaystyle Fe_2 O_3$	ของแข็งสีน้ำตาลแดง	1565	-	ไม่ละลาย

                  จากข้อมูลในตาราง 2.5 จะพบว่าสารประกอบไอออนิกทุกสารมีสถานุเป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง สารประกอบไอออนิกบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้สูงบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้ต่ำมาก และบางชนิดไม่ละลายในน้ำ การที่สารประกอบไอออนิกมีสภาพละลายได้แตกต่างกันเป็นเพราะเหตุใด การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานหรือไม่ อย่างไร ศึกษาได้จากการทดลองต่อไปนี้

การทดลอง 2.1 การละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำ
1. บรรจุน้ำ $\displaystyle 25cm^3$ ไว้ในแคลอริมิเตอร์ 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 พลังงานแลตทิซ ขั้นที่สองไอออนแต่ละชนิดที่หลุดออกจากโครงผลึกจะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำ โดยโมเลกุลของน้ำจะหันด้านที่มีขั้วตรงข้ามเข้าหา เกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำกับทั้งโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออน และจะคายพลังงานออกมาปริมาณหนึ่ง $\displaystyle (E_2)$ พลังงานที่คายออกในขั้นนี้เรียกว่า พลังงานไฮเดรชัน เมื่อไอออนที่ผิวหน้าหลุดออกไปรวมกับน้ำ ไอออนที่อยู่ถัดเข้าไปจะเกิดการละลายต่อเนื่องกันไปจนโซเดียมคลอไรด์ละลายหมด การละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำเขียนแผนภาพแสดงได้ดังรูป 2.8

รูป 2.8 แผนภาพการละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำ

พลังงานแลตทิซ คือพลังงานที่คายออกเมื่อไอออนบวกกับไอออนลบในสถานะแก๊สรวมตัวกันเกิดเป็นโครงผลึกส่วนการทำให้ไอออนบวกและไอออนลบในโครงผลึกหลุดออกมาเป็นกระบวนการย้อนกลับ จึงต้องใช้พลังงานเท่ากับพลังงานแลตทิซ

การละลายของคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตในน้ำก็อธิบายได้ลักษณะเดียวกัน และจากผลการทดลองซึ่งพบว่าอุณหภูมิของสารละลายสูงกว่าอุณหภูมิเดิมของน้ำ แสดงว่าพลังงาน $\displaystyle E_2$ มีค่ามากกว่าพลังงาน $\displaystyle E_1$ พลังงานส่วนเกินที่คายออกมาจึงทำให้น้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น 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 $\displaystyle Ca(OH)_2$       $\displaystyle Na_2 SO_4$ หรือ KI มา 1 ชนิด ใส่ลงในหลอดทดลองขนาดเล็ก 3 หลอดๆ และ    $\displaystyle 1cm^3$
                  2. เติมสารละลาย $\displaystyle Na_2 CO_3$      $\displaystyle NH_4 Cl$ และ   $\displaystyle Pb(NO_3 )_2$ อย่างละ $\displaystyle 1cm^3$ ลงในหลอดที่ 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 $\displaystyle Ca^{2^ +  }$ กับ $\displaystyle CO_3^{2^ -  }$ เท่านั้น จึงเขียนสมการได้เป็นดังนี้

 สมการเคมีที่แสดงเฉพาะไอออนที่เข้าทำปฏิกิริยากันแล้วเกิดเป็นผลิตภัณฑ์เรียกว่า สมการไอออนิกสุทธิ
 สมการไอออนิกสุทธิที่สมบูรณ์จะต้องทำให้ดุลทั้งจำนวนอะตอมและจำนวนประจุโดยเติมเลขข้างหน้าอนุภาคที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา เช่น

 - ถ้าผสมสารละลาย NaCI กับสารละลาย KI จะเขียนสมการไอออนิกสุทธิแสดงปฏิกิริยาได้หรือไม่เพราะเหตุใด

chemistry

วันอาทิตย์ที่ 16 กันยายน พ.ศ. 2561

บทที่3.พันธะเคมี(3.2)

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น