Chemistry sacience: 2.3โครงสร้างผลึกไอออนิก

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   $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^1$ ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^5$ ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน $\displaystyle (Na^+ )$ ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6$ ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่ 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

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

การเขียนสูตรสารประกอบไอออนิกจะเขียนสูตรไอออนบวกไว้ข้างหน้าตามด้วยสูตรไอออนลบ และแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบ เช่น $\displaystyle Na^ +$ กับ $\displaystyle Cl^ -$ รวมกันด้วยอัตราส่วน 1 : 1 ได้สารประกอบมีสูตรเป็น NaCl หรือ $\displaystyle Ca^{2 + }$ กับ $\displaystyle F^ -$ รวมกันด้วยอัตราส่วนของไอออนเป็น 1 : 2 ได้สารประกอบมีสูตรเป็น $\displaystyle CaF_2$ แสดงว่าไอออนบวกกับไอออนลบรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกจะรวมกันด้วยอัตราส่วนที่ทำให้ผลรวมของประจุเป็นศูนย์ เนื่องจากโครงสร้างของสารประกอบไอออนิกมีไอออนบวกและไอออนลบอยู่ต่อเนื่องกันไปทั้งสามมิติโดยไม่แยกเป็นโมเลกุล จึงจัดเป็นสารประกอบที่ไม่มีสูตรโมเลกุล และใช้สูตรเอมพิริคัลแสดงอัตราส่วนอย่างต่ำของจำนวนไอออนที่เป็นองค์ประกอบแทนสูตรโมเลกุล ดังตาราง 2.3

ตาราง 2.3 ตัวอย่างสูตรสารประกอบไอออนิกที่เกิดจากโลหะและอโลหะ (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	$\displaystyle MX_3$ $\displaystyle M_2 X_3$	$\displaystyle AlF_3$ $\displaystyle Al_2 O_3$

- 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 $\displaystyle K_2 O$ 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