พันธะไอออนิก
3.2พันธะไอออนิก
สารที่เกิดจากธาตุโลหะกับธาตุอโลหะ มีสมบัติบางประการทางการและสารเหล่านี้มีการยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่เหมือนกัน
3.2.1 การเกิดพันธะไอออนิก
ธาตุโลหะมีพลังงานไอออไนเซชันต่ำจึงเสียอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนบวกได้ง่ายส่วนธาตุอโลหะมีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูง จึงรับอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนลบ ไอออนบวกและไอออนลบมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเรียกการยึดเหนี่ยวนี้ว่าพันธะไอออนิกและสารที่เกิดขึ้นจากพันธะไอออนิกว่าสารประกอบไอออนิกชื่อสารประกอบไอออนิกที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เป็นไปตามกฎออกเตตดังตัวอย่าง
ธาตุโลหะมีพลังงานไอออไนเซชันต่ำจึงเสียอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนบวกได้ง่ายส่วนธาตุอโลหะมีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูง จึงรับอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนลบ ไอออนบวกและไอออนลบมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเรียกการยึดเหนี่ยวนี้ว่าพันธะไอออนิกและสารที่เกิดขึ้นจากพันธะไอออนิกว่าสารประกอบไอออนิกชื่อสารประกอบไอออนิกที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่เป็นไปตามกฎออกเตตดังตัวอย่าง
3.2.2 สูตรเคมีและชื่อของสารประกอบไอออนิก สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบที่มีประจุต่างกัน ซึ่งมีผลต่ออัตราส่วนการรวมของไอออนและสูตรของสารประกอบไอออนิกด้วยประจุของไอออน 5 มูลหลักเป็นบวกตามจำนวนและการที่ให้หรือเป็นโรคตามจำนวนอิเล็กตรอนที่รับเพื่อทำให้มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนของไอออนเป็นไปตามกฎออกเตต
จากตาราง 3.1 ถ้าโซเดียมซึ่งเป็นธาตุหมู่ IA เมื่อเกิดเป็นไอออนบวกจะมีประจุเป็นบวก 1 5 แคลเซียมซึ่งเป็นธาตุหมู่ iia เมื่อเกิดเป็นไอออนบวกจะมีประจุเป็นบวก 2 และธาตุอะลูมิเนียมซึ่งเป็นธาตุหมู่ IIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนบวกจะมีประจุเป็นบวก 3 ดังนั้นธาตุหมู่ IA IA และ IIA เมื่อเป็นไอออนจะเป็นไอออนที่มีประจุตามเลขหมู่ 5 กรณีซึ่งเป็นธาตุหมู่ VIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนลบจะมีประจุเป็น -1 ให้ออกซิเจนซึ่งเป็นธาตุหมู่ VIIA เมื่อเกิดเป็นไอออนลบจะมีประจุเป็น -2 และธาตุไนโตรเจนซึ่งเป็นธาตุหมู่ VA เมื่อเกิดเป็นไอออนลบจะมีประจุเป็น -3 ดังนั้นธาตุหมู่ VA VIA และ VIIA เมื่อเป็นไอออน จะเป็นไอออนลบที่มีประจุ X-8 เมื่อ X คือเลขหมู่ของธาตุอโลหะ
การที่โครงสร้างของสารประกอบไอออนิกที่มีไอออนบวกและไอออนลบยึดเหนี่ยวกันอย่างต่อเนื่องกันไปทั้ง 3 มิติเป็นโครงผลึกไม่สามารถแยกเป็นโมเลกุลได้ดังนั้นจึงใช้สูตรเอมพิริคัล แสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบซึ่งทำให้ได้ผลรวมประจุเป็นศูนย์
การเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจะเขียนสัญลักษณ์ของธาตุที่เป็นไอออนบวกไว้ข้างหน้าตามด้วยไอออนลบและแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของไอออนที่เป็นองค์ประกอบโดยเขียนตัวเลขอารบิกให้ทายไอออนทั้งนี้กรณีที่จำนวนไอออนเป็นหนึ่งไม่ต้องเขียนเช่นสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากแคลเซียมไอออนกับฟลูออไรด์ไอออนมีอัตราส่วนประจุของ Ca^2+ ต่อ F^- เป็น 2 ต่อ 1 ซึ่งเมื่อทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์จะได้อัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวน Ca^2+ ต่อ F^- เป็น 1:2 ดังนั้นสูตรสารประกอบเป็น CaF^2
ไอออนบางชนิดเกิดจากกลุ่มอะตอมการเขียนสูตรสารประกอบจะใช้หลักการเดียวกับไอออนบวกและไอออนลบที่เกิดจากธาตุ เช่นสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากมีไอออนกับซัลเฟตไอออนมีอัตราส่วนประจุของ NH^4+ ต่อ SO4^2- เป็น 1 ต่อ 2 ซึ่งเมื่อทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์ จะได้อัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวน NH^4+ ต่อ SO4^2- เป็น 2:1 ดังนั้นสูตรสารประกอบเป็น (NH4)2SO4
สารประกอบไอออนิกเกิดจากไอออนบวกและไอออนลบดังนั้นการเรียกชื่อสารประกอบไอออนิกจึงจำเป็นต้องสร้างชื่อของไอออนบวกและไอออนลบโดยชื่อของไอออนบวกเรียกตามชื่อถ้าเราลงท้ายด้วยคำว่าไอออนส่วนไอออนลบเรียกตามชื่อธาตุโดยเปลี่ยนท้ายเสียงเป็น i-de
จากตารางจะเห็นว่าชื่อไอออนลบของธาตุไฮโดรเจนออกซิเจนและไนโตรเจนมีการตัดคำว่าเช่นออกก่อนจะเปลี่ยนท้ายเป็นเสียง i-de ไอออนที่เป็นกลุ่มอะตอมมีชื่อเรียกเฉพาะโดยกลุ่มอะตอมที่เป็นไอออนบวกลงท้ายด้วย -ium ส่วนกลุ่มอะตอมที่เป็นไอออนลบอาจจะลงท้ายด้วยเสียง -ide -ite -ate
ชื่อสารประกอบไอออนิกได้จากการเรียกชื่อไอออนบวกแล้วตามด้วยชื่อไอออนลบโดยตัดคำว่าไอออนออก ดังตาราง
ชื่อสารประกอบที่เกิดจากโลหะที่มีเลขออกซิเดชันมากกว่า 1 ค่า ต้องระบุตัวเลขประจุหรือเลข ออกซิเดชันของไอออนนั้นเป็นเลขโรมันในวงเล็บดังตาราง
3.2.3 พลังงานกับการเกิดสารประกอบไอออนิก
ปฏิกิริยาเคมีนอกจากจะเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของสารเคมีแล้วส่วนใหญ่ยังเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานอีกด้วยซึ่ง พลังงานการเกิดของสารประกอบ สามารถหาได้จากการทดลองในการทำปฏิกิริยาระหว่างธาตุ เช่นการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์จากโลหะโซเดียมทำปฏิกิริยากับแก๊สคลอรีนเกิดเป็นโซเดียมคลอไรด์มีการคายพลังงาน 412 กิโลจูลต่อโมล
Na(s) + 1/2Cl2(g) ---> NaCl(s) -412kJ/mol
ปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องกับการสลายพันธะและการสร้างพันธะ ซึ่งการสลายพันธะ เป็นกระบวนการดูดพลังงาน ในขณะที่การสร้างพันธะเป็นกระบวนการคายพลังงานดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกเป็นปฏิกิริยาคายพลังงานเนื่องจากมีการสร้างพันธะไอออนิก
พลังงานที่เกี่ยวข้องกับการรวมตัวกันของไอออนบวกและไอออนลบในสารประกอบไอออนิกเรียกว่าพลังงานโครงผลึกซึ่งในทางปฏิบัติไม่สามารถทำการทดลองได้โดยนำไอออนบวกและไอออนลบที่บริสุทธิ์มาทำปฏิกิริยากันได้ค่าพลังงานดังกล่าวจึงได้จากการคำนวณโดยอาศัยขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาย่อยๆหลายขั้นตอนตามวัฏจักรบอร์น-ฮาเบอร์ โดยมีสมมติฐานว่าพลังงานรวมในแต่ละขั้นตอนจะเท่ากับพลังงานในการเกิดสารประกอบไอออนิกเช่นการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ 1 โมล ประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆดังนี้
1.โลหะโซเดียมสถานะของแข็งระเหิดกลายเป็นแก๊ส ดูดพลังงาน 107 กิโลจูลต่อโมล เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่าพลังงานการระเหิด
Na(s) ---> Na(g) 107kJ/mol
2.อะตอมของโซเดียมในสถานะแก๊สเสียอิเล็กตรอนกลายเป็น Na^+ ดูดพลังงาน 496 กิโลจูลต่อโมล เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่า พลังงานไอออไนเซชัน
Na(g) ---> Na^+(g) + e^- 496kJ/mol
3.โมเลกุลแก๊สคลอรีนสลายพันธะ Cl-Cl ได้อะตอมคลอรีน 2 อะตอมในสถานะแก๊ส ดูดพลังงานเท่ากับ 242 กิโลจูลต่อโมล เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่า พลังงานพันธะ
Cl2(g) ---> 2Cl(g) 242kJ/mol
แต่เนื่องจาก NaCl 1 โมลประกอบด้วย Cl^- 1โมลไอออน ดังนั้นพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้จะเป็นครึ่งหนึ่งของพลังงานการสลายพันธะต่อโมลของ Cl2 นั่นคือจะใช้พลังงานเพียง 121 กิลโลจูล
1/2Cl2(g) ---> Cl(g) 121kJ
4.อะตอมคลอรีนในสถานะแก๊สเมื่อรับอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมโซเดียมแล้วกลายเป็น Cl^- จะคายพลังงาน 349 กิโลจูลต่อโมล พลังงานที่ได้ในขั้นนี้เรียกว่า สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน
Cl(g) + e^- ---> Cl^-(g) -349kJ/mol
5.เมื่อโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนในสถานะแก๊สกันเป็นผลึกโซเดียมคลอไรด์จะคายพลังงานออกมาพลังงานที่ได้ในครั้งนี้เรียกว่า พลังงานของผลึก หรือ พลังงานแลตทิซ
Na^+ + Cl^- (g) ---> NaCl(s) พลังงานโครงผลึก
เมื่อรวมสมการของปฏิกิริยาย่อยทั้ง 5 ขั้นจะเหลือ Na และ Cl2 เป็นสารตั้งต้น และเหลือ NaCl เป็นผลิตภัณฑ์โดยสารอื่นๆอิเล็กตรอนจะหักล้างกันหมดดังนี้
ซึ่งปฏิกิริยารวมที่ได้เหมือนกับปฏิกิริยาการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ดังสมการ
Na(s) +1/2Cl2(g) ---> NaCl(s)
และมีค่าพลังงานรวม = 107 + 496 + 121 + (-349) + พลังงานแลตทิซ
เนื่องจากพลังงานการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ซึ่งสามารถหาได้จากการทดลองมีค่าเป็น -412 kJ/mol ดังนั้นสามารถคำนวณหาค่าพลังงานแลตทิซดังนี้
-412 = 107 + 496 + 121 + (-349) + พลังงานแลตทิซ
พลังงานแลตทิซ = -787kJ/mol
ค่าพลังงานแลตทิซที่คำนวณได้มีค่าเป็นลบแสดงว่าการรวมตัวกันของโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนทำให้เกิดการคายพลังงานในทางตรงกันข้ามการสลายพันธะระหว่างโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนในโครงผลึกของโซเดียมคลอไรด์จะเป็นกระบวนการดูดพลังงานซึ่งจะมีเครื่องหมายและค่าพลังงานเป็นบวก
วัฏจักรบอร์นฮาเบอร์ ของการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์แอนด์เขียนเป็นแผนภาพเพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้ดังรูป
จากรูปจะสังเกตเห็นได้ว่าพลังงานที่ได้จากขั้นตอนการพลังงานมีค่ามากกว่าพลังงานที่ได้จากขั้นตอนดูดพลังงานจึงทำให้เกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน
3.2.4 สมบัติของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่เป็นผลึกที่แข็งเนื่องจากการยึดเหนี่ยวที่แข็งแรงระหว่างไอออนบวกและไอออนลบและผลึกของสารประกอบไอออนิกมีความเปราะ แตกหักได้ง่ายเนื่องจากการเลื่อนตำแหน่งเพียงเล็กน้อยของไอออนเมื่อมีแรงกระทำอาจทำให้ไอออนชนิดเดียวกันลื่นไถลไปอยู่ตำแหน่งตรงกลางจึงเกิดแรงผลักระหว่างกันดังรูป
จากรูปจะสังเกตเห็นได้ว่าพลังงานที่ได้จากขั้นตอนการพลังงานมีค่ามากกว่าพลังงานที่ได้จากขั้นตอนดูดพลังงานจึงทำให้เกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์เป็นปฏิกิริยาคายพลังงาน
สารประกอบไอออนิกสถานะของแข็งไม่นำไฟฟ้าเนื่องจาก ไอออนที่เป็นองค์ประกอบยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้แต่เมื่อหลอมเหลวหรือละลายน้ำจะนำไฟฟ้าได้ดีเนื่องจากไอออนที่เป็นองค์ประกอบยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ แต่เมื่อหลอมเหลวหรือละลายน้ำจะนำไฟฟ้าได้เนื่องจากไอออนสามารถเคลื่อนที่ได้ สารประกอบไอออนิกมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงส่วนใหญ่ละลายน้ำได้และสารละลายของสารประกอบไอออนิกในน้ำส่วนใหญ่มีสมบัติเป็นเบสหรือกลางโดยสารละลายของสารประกอบออกไซด์มีสมบัติเป็นเบสและสารละลายของสารประกอบคลอไรด์มีสมบัติเป็นกลาง ดังตาราง
การละลายน้ำของสารประกอบไอออนิกเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ไอออนบวกและไอออนลบแยกออกจากโครงผลึกและเป็นกระบวนการที่โมเลกุลของน้ำล้อมรอบไอออนแต่ละชนิดโดยสารที่เมื่อละลายน้ำแล้วแตกตัวเป็นไอออนเรียกสามีว่าสารละลายอิเล็กโทรไลต์
กระบวนการที่ไอออนบวกและไอออนลบแยกออกจากโครงผลึกเป็นกระบวนการดูดพลังงานที่มีค่าเท่ากับพลังงานและแลตทิซ ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ส่วนกระบวนการที่โมเลกุลของน้ำล้อมรอบไอออนแต่ละชนิดเป็นกระบวนการคายพลังงานที่เรียกว่า พลังงานไฮเดรชัน
ถ้าค่าพลังงานแลตทิซ น้อยกว่าค่าพลังงานไฮเดรชันการละลายจะเป็นกระบวนการคายพลังงานซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของสารละลายสูงขึ้นและสารละลายจะละลายได้ดีที่อุณหภูมิต่ำในทางกลับกันถ้าค่าพลังงานแลตทิซมากกว่าค่าพลังงานไฮเดรชันการละลายจะเป็นกระบวนการดูดพลังงานซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของสารละลายลดลงและสารจะละลายได้ดีที่อุณหภูมิสูงในกรณีที่มีค่าพลังงานแลตทิซมากกว่าพลังงานไฮเดรชันมากๆ สารอาจจะละลายได้น้อยมากหรือไม่ละลาย
3.2.5 สมการไอออนิกและสมการไอออนิกสุทธิ
จากที่ทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกเมื่อละลายน้ำไอออนบวกและไอออนลบจะแยกออกจากกันถ้าการผสมสารละลายของสารประกอบไอออนิกทำให้เกิดตะกอนแสดงว่าไอออนในสารละลายผสมทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารใหม่ที่ไม่ละลายน้ำ ดังรูป
ปฏิกิริยาการเกิดตะกอนของสารประกอบไอออนิกในน้ำอาจเขียนแทนด้วยสมการไอออนิก ที่แสดงไอออนในสารละลายครบทุกชนิดเช่นปฏิกิริยาระหว่างสารละลายซิลเวอร์ไนเตรตกับสารละลายโซเดียมคลอไรด์เขียนสมการไอออนิกได้ดังนี้
Ag^+(aq) + NO3^-(aq) + Na^+(aq) + Cl^-(aq) ---> AgCl(s) + NO3^-(aq) + Na^+(aq)
ไอออนในสมการของปฏิกิริยาที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายแสดงสถานะไอออนเป็น aq ซึ่งมาจากคำว่า a queous solution เนื่องจากในสมการไอออนิกมีไอออนที่ไม่ทำปฏิกิริยาการปรากฏอยู่ทางด้านซ้ายและด้านขวาของสมการที่สามารถตัดออกจากสมการให้เหลือเฉพาะไอออนที่ทำปฏิกิริยากันได้เป็นผลิตภัณฑ์เรียกว่า สมการไอออนสุทธิ
Ag^+(aq) + Cl^-(aq) ---> AgCl(s)
การอธิบายหรือการทำนายปฏิกิริยาการเกิดตะกอนของสารละลายของสารประกอบไอออนิก สามารถพิจารณาได้จากสมบัติการละลายน้ำตามหลักการเบื้องต้นดังนี้
สารประกอบที่ละลายน้ำ
-สารประกอบของโลหะแอลคาไลและแอมโมเนียทุกชนิด
-สารประกอบไนเทรต คลอเรต เปอร์คลอเรต แอซีเตต
-สารประกอบคลอไรด์ โบรไมด์ ไอโอไดด์
-สารประกอบคอร์บอเนต ฟอสเฟต ซัลไฟด์ และซัลไฟต์
-สารประกอบซัลเฟต
สารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ
-สารประกอบออกไซด์ของโลหะ
-สารประกอบไฮดรอกไซด์
อ้างอิง หนังสือเคมี ม.4 เล่ม1
อ้างอิง หนังสือเคมี ม.4 เล่ม1
