สมบัติของสาร เช่น โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) (ดังภาพประกอบที่ 1.1) เป็นผลมาจากการเกิดพันธะเคมี ซึ่งยึดอะตอมของธาตุ หรืออะตอมกับกลุ่มอะตอมเข้าด้วยกัน ดังนั้นพันธะเคมีจึงเป็นแรงของอะตอม หรือกลุ่มอะตอมในสารที่กระทำต่อกันอย่างแข็งแรง
ที่มา : Ebbing and Gammon (2007 : 329)
การที่โมเลกุลหรืออะตอมสามารถรวมกันอยู่เป็นกลุ่มก้อน เช่นในของแข็งและของเหลว ซึ่งเมื่อต้องการทำให้แยกออกจากกันจะต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง และ การที่อะตอมสามารถรวมกันเป็นโมเลกุลเมื่อต้องการให้สลายตัวกลับมาเป็นอะตอมจะต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง เช่นกัน แสดงว่าอะตอมเหล่านั้นมีแรงยึดเหนี่ยวต่อกัน
แรงยึดเหนี่ยวของสารมี 2 ประเภท
1. แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง ซึ่งจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร ข้อมูลที่ยืนยันว่าสารมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล ได้แก่ จุดเดือด จุดหลอมเหลว ความร้อนแฝง การที่ต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งทำให้ของแข็งเป็นหลอมเหลวหรือเปลี่ยนสถานะจากของแข็ง ของเหลว การที่จะให้ของเหลวเดือดหรือเปลี่ยนแปลงสถานะ จากของเหลวกลายเป็นไอ เช่น น้ำในสถานะของเหลว ณ อุณหภูมิห้อง เมื่อได้รับ ความร้อนจะระเหยกลายเป็นไอ ไอน้ำก็คือโมเลกุลของน้ำ ซึ่งแสดงว่าโมเลกุลของน้ำจะต้องมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกันอยู่
2. แรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุล โดยทั่วไป โมเลกุลของสารจะประกอบด้วยอะตอมตั้งแต่ 2 อะตอมขึ้นไป เช่น HCl, HNO3, NH3 เป็นต้น (ยกเว้นโมเลกุลของก๊าซเฉื่อยซึ่ง 1 โมเลกุลประกอบด้วยหนึ่งอะตอม เช่น He, Ne, Ar) จากการทดลองพบว่าการที่จะทำให้โมเลกุลเหล่านี้สลายตัวออกเป็นอะตอมต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่ง เช่น ถ้าต้องการจะทำลายพันธะระหว่างคาร์บอน-คาร์บอน ในอีเทน(ethane;H3C-CH3), เอทิลลีน(ethylene ; H2C=CH2) และ อะเซทิลีน(acetylene ; HCºCH) พันธะของคาร์บอน-คาร์บอน ในโมเลกุลเหล่านี้เป็น พันธะเดี่ยว พันธะคู่ และพันธะสาม ตามลำดับ และพลังงานที่ใช้ในการสลายพันธะจะขึ้นอยู่กับชนิดของพันธะระหว่างคาร์บอน-คาร์บอน คือ
เมื่อ H = แทนพลังงานที่ถ่ายเทจากสิ่งแวดล้อมเข้าไปในโมเลกุล ส่วนเครื่องหมายบวก (+) หมายความว่า การสลายพันธะในโมเลกุลเป็นกระบวนการดูดความร้อน (endothermic) จากตัวอย่างข้างต้น แสดงให้เห็นว่าอะตอมของธาตุต้องมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในโมเลกุลและแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมคู่หนึ่ง ๆ ในโมเลกุล เรียกว่า พันธะเคมี (chemical bond)
การเกิดพันธะเคมีระหว่างอะตอม เป็นการจัดเรียงอิเล็กตรอนระดับวงโคจรนอกสุดหรือเวเลนซ์อิเล็กตรอนใหม่ เพื่อให้อยู่ในสภาพที่เสถียร ดังนั้นพันธะเคมีจึงเกี่ยวข้องกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนการที่อะตอมมารวมกันโดยเกิดพันธะเคมีนั้น เพราะสภาพอะตอมที่อยู่รวมกันจะมีเสถียรภาพมากกว่าสภาพอะตอมที่อยู่โดดเดี่ยว อะตอมจึงพยายามจัดตัวเองให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเหมือนกับก๊าซเฉื่อย (inert gas) ซึ่งเป็นก๊าซที่เสถียร โดยการให้อิเล็กตรอนแก่ธาตุอื่น หรือรับอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่น หรือ ใช้อิเล็กตรอนร่วมกับอะตอมอื่นเป็นคู่ ๆ โมเลกุลของสารต่างชนิดกันจำนวนเท่ากันใช้พลังงานในการสลายพันธะไม่เท่ากัน แสดงว่า พันธะเคมีต่างชนิดกัน แรงยึดเหนี่ยว ก็ต่างกันด้วย ทำให้มีสมบัติแตกต่างกัน ดังแสดงในตารางที่ 1.1
จากตารางที่ 1.1 สามารถแบ่งสารได้ 3 กลุ่มคือ
1. โซเดียมคลอไรด์ คอปเปอร์ (II) ซัลเฟต และ โพแทสเซียมไอโอไดด์ เป็นของแข็ง มีจุดหลอมเหลว และจุดเดือดสูง และไม่นำไฟฟ้า ณ อุณหภูมิห้อง แต่เมื่อทำให้หลอมเหลว หรือ เป็นสารละลายจะนำไฟฟ้าได้
การเกิดพันธะไอออนิกสามารถทำความเข้าใจได้จากการถ่ายเทอิเล็กตรอนจากอะตอมของโซเดียม (ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเป็น [Ne] 3s1) ไปให้อะตอมของคลอรีน ([Ne] 3s23p5) ซึ่งแสดงได้ดังภาพประกอบที่ 1.2
2. เหล็ก ทองแดง และโครเมียม เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง มีจุดหลอมเหลว และจุดเดือดสูงมาก นำไฟฟ้าได้แต่ไม่ละลายน้ำ
3. น้ำตาลทราย เอทานอล และก๊าซไฮโดรเจนมีจุดหลอมเหลว และจุดเดือดต่ำ ละลายน้ำได้แต่ไม่นำไฟฟ้า
จากการแบ่งสารออกเป็น 3 กลุ่ม จะเห็นว่าสารแต่ละชนิดมีสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดเจน แสดงว่ามีพันธะเคมีที่แตกต่างกันอยู่ถึง 3 ชนิด คือ
1. พันธะเคมีที่ยึดอนุภาคในกลุ่มที่ 1 เรียกว่า พันธะไอออนิก
2. พันธะเคมีที่ยึดอนุภาคในกลุ่มที่ 2 เรียกว่า พันธะโลหะ
3. พันธะเคมีที่ยึดอนุภาคในกลุ่มที่ 3 เรียกว่า พันธะโคเวเลนต์
2. พันธะไอออนิก
2.1 การเกิดพันธะไอออนิก
พันธะไอออนิก (ionic bond) คือพันธะเคมีที่เกิดจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนบวก (positive ions) และไอออนลบ (negative ions) พันธะไอออนิกเกิดขึ้นระหว่างสองอะตอม เมื่อหนึ่งอิเล็กตรอน หรือมากกว่า มีการถ่ายเทจาก ชั้นนอกสุด (valence shell) ของอะตอมหนึ่งไปยังชั้นนอกสุดของอีกอะตอม อะตอมที่เสียอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปเป็นไอออนบวก(cation or positive ion) และ อะตอมที่รับอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปเป็น ไอออนลบ (anion or negative ion) เมื่อไอออนที่มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกันมาดึงดูดกันจำนวนมาก ๆ จะทำให้เกิดเป็นของแข็งไอออนิก (solid ionic) ซึ่งปกติแล้วจะเป็นของแข็งที่มีโครงสร้างผลึกที่สมบูรณ์
ที่มา : Ebbing and Gammon (2007 : 330)
ผลจากการถ่ายเทอิเล็กตรอน ก็จะมีไอออนเกิดขึ้น ซึ่งไอออนแต่ละชนิดที่เกิดขึ้นจะมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับก๊าซเฉื่อย โดยอะตอมของโซเดียม จะเสียอิเล็กตรอนในชั้นพลังงานย่อย 3s ทำให้มีโครงสร้างอิเล็กตรอนเหมือนกับก๊าซเฉื่อย นั่นคือ [Ne] ส่วนอะตอมของคลอรีนได้รับอิเล็กตรอนเข้าไปในชั้นพลังงานย่อย 3p ทำให้มีโครงสร้างอิเล็กตรอนเหมือนกับอาร์กอน คือ [Ne] 3s23p6 ซึ่งการจัดอิเล็กตรอนของก๊าซเฉื่อยสอดคล้องกับไอออนที่เสถียร ความมีเสถียรภาพของไอออนนี้เป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดเป็นของแข็งไอออนิกอย่าง NaCl
เพื่อให้เกิดความเข้าใจมากขึ้น นักเรียนสามารถพิจารณาการเกิดโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) เพิ่มเติมได้จากภาพประกอบที่ 1.3
ที่มา : Kotz, Treichel and Townsend (2009 : 349)
ข้อสังเกต อะตอมที่ให้อิเล็กตรอนออกไปกลายเป็นไอออนบวก จะทำให้อนุภาคมีขนาดเล็กลง (เช่น Na+) ในขณะที่อะตอมที่รับอิเล็กตรอนเข้ามาแล้วกลายเป็นไอออนลบ จะมีขนาดของอนุภาคใหญ่ขึ้น (เช่น Cl-) ดังภาพประกอบที่ 1.4
ที่มา : Stoker (2010 : 88)
โซเดียมไอออน และคลอไรด์ไอออนมีประจุต่างกัน จึงยึดเหนี่ยวด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าที่ต่างชนิดกันเกิดเป็นพันธะที่เรียกว่า พันธะไอออนิก และเรียกชื่อว่าโซเดียมคลอไรด์ ซึ่งเป็นสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกว่า สารประกอบไอออนิก
ดังนั้น พันธะไอออนิก หมายถึง พันธะเคมีที่เกิดจากการถ่ายเทอิเล็กตรอนจากอะตอม หรือกลุ่มอะตอมไปยังอะตอม หรือกลุ่มอะตอมอื่น หรืออาจกล่าวได้ว่า พันธะไอออนิก หมายถึง พันธะที่เกิดจากการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมของธาตุคู่ร่วมพันธะเกิดเป็นไอออนบวกและไอออนลบ ทั้งนี้เพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต หรืออาจพิจารณาในอีกแง่หนึ่งว่า พันธะไอออนิก เป็นพันธะที่เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนซึ่งมีประจุไฟฟ้าต่างชนิดกัน
2.2 โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก
สารประกอบไอออนิกมีโครงสร้างในลักษณะสามมิติที่แน่นอน ไอออนบวกและไอออนลบในสารนั้น ๆ จะจัดเรียงตัวกันอย่างมีระบบ มีอัตราส่วนของจำนวนไอออนที่แน่นอน ไม่สามารถแยกเป็นโมเลกุลเดี่ยว ๆ ได้ จึงไม่มีสูตรโมเลกุล มีแต่สูตรแอมพิริกัล จึงใช้สูตรแอมพิริกัลป์แทนสูตรเคมีของสารประกอบไอออนิก
โครงสร้างผลึกสารประกอบไอออนิกจะเป็นแบบใดขึ้นอยู่กับ
1) จำนวนประจุที่เกิดขึ้นบนไอออนบวกและไอออนลบ
2) อัตราส่วนระหว่างรัศมีไอออนบวกและไอออนลบ
ลักษณะสำคัญของโครงผลึกของสารประกอบไอออนิก
1) โครงสร้างของสารประกอบไอออนิกมีลักษณะคล้ายตาข่าย ไม่มีสูตรโมเลกุลมีแต่สูตรแอมพิริกัล
2) โครงผลึกของสารประกอบไอออนิกของธาตุหมู่เดียวกัน อาจจะเหมือนกัน หรือไม่เหมือนกันก็ได้
2.2.1 โครงสร้างของผลึกโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) พบว่า Na+ แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย Cl- จำนวน 6 ไอออน และ Cl- แต่ละไอออนก็ถูกล้อมรอบด้วย Na+ จำนวน 6 ไอออนต่อเนื่องกันไป มีลักษณะคล้ายโครงผลึกร่างตาข่าย กลายเป็นสารประกอบไม่มีสูตรโมเลกุล มีแต่สูตรเอมพิริกัลเป็น NaCl ดังภาพประกอบที่ 1.5
ที่มา : Razeghi (2009 : 31)
2.2.2 โครงสร้างของผลึกซีเซียมคลอไรด์ (CsCl) พบว่า Cs+ แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย Cl- จำนวน 8 ไอออน และCl- แต่ละไอออนก็ถูกล้อมรอบด้วย Cs+ จำนวน 8 ไอออน ต่อเนื่องกันไปดังภาพประกอบที่ 1.6
ที่มา : Razeghi (2009 : 32)
2.2.3 โครงสร้างของผลึกซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) พบว่า Zn+ แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย S2- จำนวน 4 ไอออน และ S2- แต่ละไอออนก็ถูกล้อมรอบด้วย Zn+ จำนวน 4 ไอออนต่อเนื่องกันไปดังภาพประกอบที่ 1.7
ที่มา : : Ebbing and Gammon (2007 : 456)
2.2.4 โครงสร้างของผลึกแคลเซียมฟลูออไรด์ (CaF2) พบว่า Ca2+ แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย F- จำนวน 8 ไอออน และ F- แต่ละไอออนก็ถูกล้อมรอบด้วย Ca2+ จำนวน 4 ไอออน ต่อเนื่องกันไป ดังภาพประกอบที่ 1.8
ที่มา : Verma, Khanna, and Kapila. (2008 : 150)
เอกสารอ้างอิง
Ebbing, D.D. and Gammon, S.D. (2007). General Chemistry 9ed. USA. : Houghton Mifflin Company.
Kotz, J.C. , Treichel, P. and Townsend, J.R. (2009). Chemistry : Chemical Reactivity 7ed. USA. :
Brooks/Cole Cengage Learning.
Pauling, L. (1960). The Nature of The Chemical Bond. USA. : Cornell University Press.
Razeghi, M. (2009). Fundamentals of Solid State Engineering. New York : Springer Science+Business
Media, LLC.
Smart, L., and Gagan, M. (2002). The Third Dimension. Cambridge : BathPressColourbooks.
Stoker, H.S. (2010). General, organic, and Biological Chemistry 5ed. USA. : Cengage Learning, Inc.
Verma, N.K., Khanna, S.K., and Kapila, B. (2008). Comprehensive Chemistry XII. New Delhi : Laxmi
Publications.
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น