วันเสาร์ที่ 15 กันยายน พ.ศ. 2561

2.3.โครงสร้างผลึกไอออนิก

โครงสร้างผลึกไอออนิก

สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง  ของเหลว  หรือแก๊ส  เช่น  เหล็ก  ทองแดง  เกลือแกง  น้ำตาลทราย  น้ำ  แก๊สไฮโดรเจน  สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง  \displaystyle 1535^ \circ Cการทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง \displaystyle 801^ \circ C 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 
\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


0 ความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

 
Chemistry Blogger Template by Ipietoon Blogger Template