พันธะเคมี: พันธะไอออนิก

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

เมื่อโลหะเสียอิเล็กตรอนก็จะกลายเป็นไอออนบวก

เมื่อรับอิเล็กตรอนก็จะกลายเป็นไอออนลบ

การเกิดพันธะไอออนิก เกิดระหว่างโลหะกับอโลหะ ยกเว้น Be กับ B โดยโลหะจ่ายอิเล็กตรอนออกไปกลายเป็นประจุบวก อโลหะรับอิเล็กตรอนเข้ามากลายเป็นประจุลบ ประจุบวกและประจุลบที่เกิดขึ้นจะส่งแรงดึงดูดกัน เรียกว่า พันธะไอออนิก
1.โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก
1. ผลึกโซเดียมคลอไรด์ พบว่า ในผลึกโซเดียมคลอไรด์ มีโซเดียมไอออนสลับกันกับคลอไรด์ไอออนเป็นแถว ๆ ทั้งสามมิติ มีลักษณะคล้ายตาข่าย โดยที่แต่ละไอออน จะมีไอออนต่างชนิดล้อมรอบอยู่ 6 ไออออน ดังรูป

อัตราส่วนระหว่างไอออนบวก : ไอออนลบเท่ากับ 6 : 6 หรือ 1 : 1 สูตรอย่างง่ายจึงเป็นNaCl
2. ผลึกซีเซียมคลอไรด์ แต่ละไอออนจะมีไอออนต่างชนิดล้อมรอบอยู่ 8 ไอออน ดังรูป

ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างไอออนบวก : ไอออนลบเท่ากับ 8 : 8 หรือ 1 : 1 สูตรอย่างง่ายจึงเป็นCsCl
จากตัวอย่างของโครงสร้างผลึกของโซเดียมคลอไรด์และซีเซียมคลอไรด์จะมีลักษณะต่างกันถึงแม้ว่าเป็นธาตุในหมู่เดียวกันเพราะมีขนาดไอออนต่างกัน
2.สูตรและการอ่านชื่อสารประกอบไอออนิก
เนื่องจากสารประกอบไอออนิกมีลักษณะการสร้างพันธะต่อเนื่องกันเป็นผลึก ไม่ได้อยู่ในลักษณะของโมเลกุลเหมือนในสารประกอบโคเวเลนต์ ดังนั้นสารประกอบไอออนิกจึงไม่มีสูตรโมเลกุลที่แท้จริง แต่จะมีการเขียนสูตรเพื่อแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนธาตุต่าง ๆ ที่เป็นองค์ประกอบ เช่น โซเดียมคลอไรด์ เกิดจากอะตอมของธาตุโซเดียม (Na) อย่างน้อยที่สุด 1 อะตอม และอะตอมของธาตุคลอรีน (Cl) อย่างน้อยที่สุด 1 อะตอม จึงสามารถเขียนสูตรได้เป็น NaCl โดยการเขียนสูตรของสารประกอบไอออนิกจะเขียนนำด้วยธาตุที่เกิดเป็นไอออนบวกก่อน จากนั้นจึงเขียนตามด้วยธาตุที่เกิดเป็นไอออนลบตามลำดับ
วิธีการอ่านชื่อสารประกอบไอออนิกให้อ่านตามลำดับของธาตุที่เขียนในสูตร คือ เริ่มจากธาตุแรกซึ่งเกิดเป็นไอออนบวก(ธาตุโลหะ)แล้วตามด้วยธาตุหลังซึ่งเป็นไอออนลบ(ธาตุอโลหะ)ดังนี้
1. เริ่มจากอ่านชื่อไอออนบวก (ธาตุโลหะ) ก่อน

2. อ่านชื่อธาตุไอออนลบ (ธาตุอโลหะ) โดยเปลี่ยนเสียงสุดท้ายเป็น -ไอด์ (-ide) ดังตัวอย่างเช่น
NaCl อ่านว่า โซเดียมคลอไรด์

MgO อ่านว่า แมกนีเซียมออกไซด์
Al2O3 อ่านว่า อะลูมิเนียมออกไซด์

3. หากไอออนลบมีลักษณะเป็นกลุ่มธาตุ จะมีชื่อเรียกเฉพาะที่แตกต่างกัน เช่น No3- เรียกว่า ไนเดรต, CO32- เรียกว่า คาร์บอเนต, SO42- เรียกว่า ซัลเฟต OH- เรียกว่า ไฮดรอกไซด์ เป็นต้น ดังตัวอย่างเช่น

CaCO3 อ่านว่า แคลเซียมคาร์บอเนต
Na2SO4 อ่านว่า โซเดียมซัลเฟต

3.พลังงานกับการเกิดสารประกอบไอออนิก

ในการเกิดพันธะไอออนิกหรือสารประกอบไอออนิก จะมีการเปลี่ยนแปลงหลายขั้นตอนด้วยกันแต่จะมีกี่ขั้นขึ้นอยู่กับสมบัติของสารตั้งต้นและแต่ละขั้นตอนย่อยๆจะมีพลังงานเกี่ยวข้องอยู่ด้วย ดังตัวอย่างการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) มีขั้นตอนดังนี้

1.โลหะโซเดียมที่อยู่ในสถานะของแข็งระเหิดกลายเป็นไอ (กลายเป็นอะตอมในสถานะก๊าซ) ขั้นนี้ต้องใช้พลังงาน หรือดูดพลังงานเท่ากับ 109 kJ/mol เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่าพลังงานการระเหิด (Heat of siblimation) สัญลักษณ์ "Hs" หรือ "S"

Na(s)+ 109 kJ---------------->Na(g).........(1)

2.โมเลกุลของคลอรีน (Cl2(g)) ซึ่งอยู่ในสถานะก๊าซแตกตัวออกเป็นอะตอมในสถานะก๊าซ (Cl(g))

Cl(g) + 242 kJ -------------------> 2Cl(g)

แต่่ในการเกิด NaCl(s) 1 mol ต้องใช้ Cl(g) เพียง 1 mol ดังนั้น

Cl2(g) +121 kJ-------------------->Cl(g).........(2)

ขั้นนี้ต้องใช้พลังงานหรือดูดพลังงานเท่ากับ 121 kJ เรียกพลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ว่า พลังงานสลายพันธะ หรือพลังงานการแตกตัว (Bond Dissociation energy) สัญลักษณ์ "Hdis" หรือ "d"

3.อะตอมของโซเดียมในสถานะก๊าซ เสีย 1 เวเลนซ์อิเลคตรอน กลายเป็นโซเดียมไอออนในสถานะก๊าซ ขั้นนี้ต้องใช้พลังงานหรือดูดพลังงาน 494 kJ/mol เรียกพลังงานที่ใข้ในขั้นนี้ว่า พลังงานไอออไนเซชั่น(Ionization Energy) สัญลักษณ์ "IE" หรือ "I"

Na(g)+494 kJ----------------->Na(g) + e.........(3)

4.คลอรีนอะตอมในสถานะก๊าซรับอิเลคตรอนกลายเป็นคลอไรด์ไอออนในสถานะก๊าซ(Cl-(g)) ขั้นนี้คายพลังงานออกมา 347 kJ/mol พลังงานที่คายออกมาในขั้นนี้เรียกว่า อิเลคตรอนอัฟฟินิตีหรือสัมพรรคภาพอิเลคตรอน (Electron Affinity) สัญลักษณ์ E หรือ EA

Cl(g)+e- -----------------> Cl-(g)+347 kJ...........(4)

5.โซเดียมไอออนในสถานะก๊าซ และคลอไรด์ไอออนในสถานะก๊าซรวมตัวกันด้วยพันธะไอออนิกได้ผลึกโซเดียมครอไรด์ (NaCl(s)) ขั้นนี้คายพลังงานออกมา 787 kJ/mol พลังงานที่คายออกมาในขั้นนี้เรียกว่าพลังงานแลคทิซ หรือพลังงานโครงร่างผลึก (Lattic Energy) สัญลักษณ์ U หรือ Ec

Na+(g) + Cl-(g) ---------------------->NaCl(s)+787 kJ.........(5)

เมื่อเอาสมการ (1)+(2)+(3)+(4)+(5) จะได้สมการรวมหรือปฏิกิริยารวมดังนี้

Na(s)+Cl(g)-----------------------> NaCl(s)+410 kJ..........(6)

แสดงว่าในการเกิด NaCl(s) เป็นการเปลี่ยนแปลงประเภทคายพลังงาน คือ เมื่อเกิด NaCl 1 mol จะคายพลังงานเท่ากับ 410 kJ

พลังงานที่คายออกมาเรียกว่า พลังงานของปฏิกิริยาหรือความร้อนของปฏิกิริยาหรือความร้อนของการเกิดสาร สัญลักษณ์ "Hf"

หมายเหตุ การเกิดสารประกอบไอออนิกอาจคายหรือดูดพลังงานก็ได้แต่มักจะคายพลังงาน

4.สมบัติของสารประกอบไอออนิก

1.มีขั้ว (Polar nature) สารประกอบไอออนิกไม่ได้เกิดขึ้นเป็นโมเลกุลเดี่ยว แต่จะเป็นของแข็งซึ่งประกอบด้วยไอออนจำนวนมากซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้า

2.นำไฟฟ้าได้ เมื่อใส่สารประกอบไอออนนิกลงในน้ำ ไอออนจะแยกออกจากัน ทำให้สารละลายนำไฟฟ้าได้ ในทำนองเดียวกัน สารประกอบที่หลอมเหลวจะนำไฟฟ้าได้ด้วย เนื่องจากเมื่อหลอมเหลวไอออนจะเป็นอิสระจากกัน เกิดการไหลเวียนอิเลคตรอน ทำให้อิเลคตรอนเคลื่อนที่จึงเกิดการนำไฟฟ้า

3.มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง เพราะต้องการพลังงานความร้อนในการทำลายแรงดึงดูดระหว่างไอออนให้กลายเป็นของเหลวหรือกลายเป็นไอตามที่ต้องการ

4.การละลาย (Solubility) สารประกอบไอออนิกจะละลายในน้ำแต่ไม่ละลายในเบนซีนหรือตัวทำละลายอินทรีย์ น้ำและตัวทำละลายชนิดมีขั้วอื่น ๆ จะมีค่า dielectric constant สูง ซึ่งจะทำให้แรงดึงดูดไฟฟ้าที่ดึงดูดระหว่างไอออนอ่อนลง ทำให้ไอออนแยกจากกัน การประทะกัน (interaction) ระหว่างไอออนและโมเลกุลที่มีขั้ว (Polar nature) จึงช่วยในขบวนการ dissociation (disssociation เป็นขบวนการที่สารแตกตัวออกเป็นไอออนเมื่อละลายในน้ำ ตัวทำละลายอินทรีย์ มี dielectric constant ต่ำและมักเป็นสารประกอบที่ไม่มีขั้ว สารประกอบไอออนิกโดยทั่ว ๆ ไปจะไม่ละลายในตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว

5.สารประกอบไอออนิกทำให้เกิดปฏิกริยาไอออนิก คือ ปฏิกริยาระหว่างไอออนกับไอออน ทั้งนี้เพราะสารไอออนิกจะเป็นไอออนอิสระในสารละลาย ปฎิกริยาจึงเกิดทันที

6. สมบัติไม่แสดงทิศทางของพันธะไอออนิก สารประกอบไอออนิกเกิดจากไอออนที่มีประจุตรงกันข้ามรอบ ๆ ไอออนแต่ละไอออนจะมีสนามไฟฟ้าซึ่งไม่มีทิศทาง จึงทำให้เกิดสมบัติไม่แสดงทิศทางของพันธะไอออนิก

5.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