โครงสร้างผลึกไอออนิก
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
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+

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
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 2.3
ตาราง 2.3 ตัวอย่างสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากโลหะและอโลหะ (M แทนโลหะ X แทนอโลหะ)
โลหะหมู่ อโลหะหมู่ สูตรเอมพิริคัล ตัวอย่าง
IA
IA VIIA
VIA MX

NaCL Kl CsF
IIA
IIAVIIA
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








































IA
VIA

NaCL Kl CsF




IIA
IIA
VIA

MX



BaS SrO MgS
IIIA
VIA





ZnS
CuO



โพแทสเซียมออกไซด์
ซิงค์ซัลไฟด์
คอปเปอร์ (II) ออกไซด์
คอปเปอร์ (I) ออกไซด์
ไอร์ออน (II) ออกไซด์
ไอร์ออน (III) ออกไซด์







โซเดียมไนเตรต
โซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต
แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์
แบเรียมฟอสเฟต
อะลูมิเนียมซัลเฟต
แอมโมเนียมคลอไรด์
0 ความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น