วิชาเคมีม.4บทที่ 2 พันธะเคมี: เรื่องที่ 2 พันธะไอออนิก

พันธะไอออนิก

พันธะไอออนิก คือ พันธะที่เกิดขึ้นอันเนื่องมาจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนบวก(cation) และไอออนลบ(anion) อันเนื่องมาจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอน จากโลหะให้แก่อโลหะ โดยทั่วไปแล้วพันธะไอออนิกเป็นพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างโลหะและอโลหะ ทั้งนี้เนื่องจากว่าโลหะมีค่าพลังงานไอออไนเซชัน(ionization energy)ต่ำ แต่อโลหะมีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน(electron affinity)สูง ดังนั้นโลหะจึงมีแนวโน้มที่จะให้อิเล็กตรอน และอโลหะมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอน

เมื่อโลหะเสียอิเล็กตรอนก็จะกลายเป็นไอออนบวก

อโลหะเมื่อรับอิเล็กตรอนก็จะกลายเป็นไอออนลบ

🌹การเกิดพันธะไอออนิก เกิดระหว่างโลหะกับอโลหะ ยกเว้น Be กับ B โดยโลหะจ่ายอิเล็กตรอนออกไปกลายเป็นประจุบวก อโลหะรับอิเล็กตรอนเข้ามากลายเป็นประจุลบ ประจุบวกและประจุลบที่เกิดขึ้นจะส่งแรงดึงดูดกัน เรียกว่า พันธะไอออนิก

🌹โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก

1. ผลึกโซเดียมคลอไรด์ พบว่า ในผลึกโซเดียมคลอไรด์ มีโซเดียมไอออนสลับกันกับคลอไรด์ไอออนเป็นแถว ๆ ทั้งสามมิติ มีลักษณะคล้ายตาข่าย โดยที่แต่ละไอออน จะมีไอออนต่างชนิดล้อมรอบอยู่ 6 ไออออน ดังรูป

ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างไอออนบวก : ไอออนลบเท่ากับ 6 : 6 หรือ 1 : 1 สูตรอย่างง่ายจึงเป็น NaCl

2. ผลึกซีเซียมคลอไรด์ แต่ละไอออนจะมีไอออนต่างชนิดล้อมรอบอยู่ 8 ไอออน ดังรูป

ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างไอออนบวก : ไอออนลบเท่ากับ 8 : 8 หรือ 1 : 1 สูตรอย่างง่ายจึงเป็น CsCl

จากตัวอย่างของโครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์และซีเซียมคลอไรด์ จะมีลักษณะต่างกัน ถึงแม้ว่าเป็นธาตุในหมู่เดียวกัน เพราะมีขนาดไอออนต่างกัน

🌹 การเขียนสูตรและเรียกชื่อสารประกอบไอออนิก
เราทราบแล้วว่าสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้า ในการเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจึงต้องทราบว่าแต่ละธาตุที่ทำปฏิกิริยากันนั้นจะเกิดเป็นไอออนชนิดใด และมีจำนวนประจุเท่าใด ซึ่งพิจารณาได้จากการจัดอิเล็กตรอนของธาตุ ตัวอย่างไอออนของโลหะและอโลหะศึกษาได้จากรูป

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

สูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากโลหะและอโลหะ (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	$\displaystyle MX_3$ $\displaystyle M_2 X_3$	$\displaystyle AlF_3$ $\displaystyle Al_2 O_3$

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

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

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

🌹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

$\displaystyle Na(s)+\frac{1}{2}Cl_2 (g) \to NaCl(s)$ $\displaystyle \Delta H_f$ = -411 kJ

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

🌹สมบัติของสารประกอบไอออนิก

สารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกกับไอออนลบ เมื่อทุบผลึกของสารไอออนิกจะเกิดการเลื่อนไถลของไอออนไปตามระนาบผลึก เป็นผลให้ไอออนชนิดเดียวกันเลื่อนไปอยู่ตรงกัน จึงเกิดแรงผลักระหว่างไอออน ทำให้ผลึกแตกออก เราจึงสังเกตพบว่าสารไอออนิกเปราะและแตกได้ง่าย

นอกจากนี้สารประกอบไอออนิกที่เป็นผลึกของแข็งไอออนที่เป็นองค์ประกอบจะยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงไม่สามารถเคลื่อนที่ได้ จึงทำให้ไม่นำไฟฟ้า

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

จากตารางจะพบว่าสารประกอบไอออนิกทุกสารมีสถานุเป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง สารประกอบไอออนิกบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้สูงบางชนิดมีค่าสภาพละลายได้ต่ำมาก และบางชนิดไม่ละลายในน้ำ

🌹ปฏิกิริยาของสารประกอบไอออนิก

เมื่อนำสารละลายไอออนิกคู่ใดคู่หนึ่งมาผสมกัน แล้วเกิดตะกอนขึ้น แสดงว่าเกิดปฏิกิริยาขึ้น ในการเกิดปฏิกิริยาในน้ำมักจะมีการแลกเปลี่ยนไอออนบวกและไอออนลบซึ่งกันและกัน ซึ่งเขียนเป็นสมการทั่วไปได้ดังนี้

AX + BY ————> AY + BX เช่น

การผสมสารละลายแคลเซียมไฮดรอกไซด์และโซเดียมคาร์บอเนต ได้ตะกอนสีขาวของแคลเซียมคาร์บอเนต แต่ Ca(OH)2, Na2CO3และ NaOH เมื่อละลายน้ำแล้วสามารถแตกตัวอย่างสมบูรณ์ คือ

สมการที่แสดงไอออนอิสระของสารประกอบไอออนิกในสารละลายครบทุกชนิดเช่นนี้เรียกว่า สมการไอออนิก เนื่องจากในปฏิกิริยานี้มี OH- และ Na+ ปรากฏอยู่ทั้งสองด้านและไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงในปฏิกิริยาจึงตัดออกไปได้ ส่วนไอออนที่ทำปฏิกิริยาแล้วได้ผลิตภัณฑ์คือ Ca2+ และ CO32-เท่านั้น ที่นำมาเขียนเป็นสมการ

ดังนั้นสมการไอออนิกสุทธิจะเป็นสมการเคมีที่เขียนเฉพาะไอออนและโมเลกุลที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเท่านั้น โดยผลรวมของประจุทางซ้ายและทางขวาของสมการต้องดุลกันพอดี

สรุปสมการไอออนิกจะเกิดได้ 3 ลักษณะดังนี้

1. การเกิดผลิตภัณฑ์ที่ไม่ละลายน้ำ เรียกว่า การตกตะกอน เช่น

จะได้ตะกอนของ PbI2(s) และ NaNO3 ที่ละลายน้ำได้ดี จึงมีไอออน Na+ และNO3- อยู่ในสารละลาย

เขียนเป็นสมการเชิงโมเลกุล

ที่มา : http://www.vcharkarn.com/lesson/1170

https://sites.google.com

เรื่องที่ 2 พันธะไอออนิก

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น