พันธเคมี

พันธะเคมี Chemical bonding

สารตา่ งๆ ในธรรมชาติอาจอย่เู ปน็ โมเลกลุ หรือผลึก เกิดจากอะตอม 2 อะตอม ขนึ้ ไปนาเวเลนซอ์ ิเลก็ ตรอนมาสร้างพนั ธะเคมี ร่วมกนั จงึ เกดิ เป็นแรงยึดเหน่ยี วซง่ึ กันและกนั ทาใหส้ ารมีความเสถยี รมากข้ึน H2 H2O NH3 CH4

นยิ ามพันธะเคมี แรงยดึ เหน่ียวระหวา่ งอนภุ าคของสารเพอ่ื ใหอ้ ะตอม รวมกนั เป็นโมเลกลุ หรอื ใหโ้ มเลกุลรวมกนั เปน็ กลมุ่ กอ้ น ไอออน-ไอออน อะตอม-อะตอม โมเลกลุ -โมเลกลุ

แรงยดึ เหน่ยี วระหวา่ งโมเลกลุ แบง่ ออกเปน็ 2 ประเภท แรงยดึ เหนย่ี วระหวา่ งอะตอมหรอื แรงยดึ เหน่ียวระหวา่ งโมเลกลุ ไอออนของธาตุ พนั ธะไฮโดรเจน พันธะโคเวเลนต์ (hydrogen bonds) (covalent bonds) แรงแวนเดอร์วาลส์ พนั ธะไอออนกิ (Van der Waals forces) (ionic bonds) แรงดึงดดู ระหวา่ งโมเลกลุ -ไอออน (molecule-ion attractions) พนั ธะโลหะ ( metallic bonds)

พันธะไอออนิก (Ionic bond) พนั ธะไอออนกิ หมายถงึ แรงยดึ เหนย่ี วระหวา่ งไอออนบวกและไอออนลบ ทเี่ กิดจากอะตอมใหแ้ ละรบั อเิ ลก็ ตรอนกนั เพอื่ ใหม้ เี วเลนตอ์ เิ ล็กตรอน เท่ากบั 8

พันธะไอออนิก (Ionic bond) คอื แรงที่เกดิ จากประจไุ ฟฟา้ บวก (+) และลบ (-) ดึงดดู เขา้ หากนั และ เรยี กสารท่เี กดิ ข้ึนว่าสารไอออนกิ (Ionic Compound) สารไอออนกิ เกดิ จากโลหะให้ Valence - electron แก่อโลหะท้ังนเ้ี พราะโลหะมีคา่ IE1 ต่า แตอ่ โลหะมคี า่ EN สงู เช่น atom ท่ีสูญเสีย e- จะกลายเป็ น ไอออนบวก (Cation) atom ที่รับ e- จะกลายเป็ น ไอออนลบ (Anion)

เช่น NaCl 3d 3d Na11 1s 2s 2p 3s 3p Cl9 1s 2s 2p 3s 3p อาจกลา่ วไดว้ า่ กลไกการเกดิ พนั ธะไอออนิกเกิดผา่ นปฏกิ ริ ยิ า 2 ข้ันตอนดังน้ี 1. ข้นั การแตกไอออนของ Na และการรบั อเิ ลก็ ตรอนของ Cl Na. Na+ + e- ..C....l. + e- ..C....l..-

2.Naไอ+ออ+นทเ่ี..กC..ดิ..l..ข-้นึ มารวมกัน Na+ ..C....l ..- กรณีอน่ื ทส่ี ามารถเกิดพันธะไอออนกิ ได้ เช่น การเผาแคลเซียมในบรรยากาศออกซเิ จน 2Ca(s) + O2(g) 2CaO การเผาลเิ ทียมในอากาศ 2Li2O 4Li(s) + O2(g)

โลหะ (IE ตา่ กว่า) อโลหะ (IE สูงกว่า)





ลักษณะสา่ คญั ของสารประกอบไอออนกิ 1. พนั ธะไอออนกิ เปน็ พนั ธะทเ่ี กดิ จาก ไอออนของโลหะ + ไอออนของอโลหะ เชน่ NaCl, MgO, KI 2. พนั ธะไอออนกิ อาจเปน็ พนั ธะเคมที เ่ี กดิ จากธาตทุ มี่ คี า่ พลงั งานไอออไนเซชนั ตา่ กบั ธาตทุ ม่ี ีคา่ พลงั งาน ไอออไนเซชนั สงู 3. พนั ธะไอออนกิ อาจเปน็ พนั ธะทเี่ กดิ จากไอออนบวกทเ่ี ปน็ กลมุ่ อะตอมของอโลหะ เช่น 4. สารประกอบไอออนกิ ไม่มสี ตู รโมเลกลุ มแี ต่สตู รเอมพริ คิ ลั ( สูตรอยา่ งงา่ ย ) 5.สารประกอบไอออนกิ มจี ุดเดอื ดและจดุ หลอมเหลวสงู 6. สารประกอบไอออนกิ ในภาวะปกตเิ ป็นของแขง็ ประกอบไอออนบวกและไอออนลบ ไอออนเหลา่ นไ้ี ม่ เคลอื่ นท่ี ดงั นั้นจงึ ไมน่ า่ ไฟฟา้ แตเ่ มื่อหลอมเหลวหรอื ละลายนา่้ จะแตกตวั เปน็ ไอออนและเคลอ่ื นทไ่ี ด้ เกิดเปน็ สารอเิ ลก็ โทรไลตจ์ งึ นา่ ไฟฟา้ ได้





ตวั อย่าง จงเขยี นสูตรของสารประกอบไอออนิกต่อไปนี้ ก. Na+ กบั O2- ข. Ca2+ กบั Cl- ค. NH4+ กบั SO42-



จงเขยี นสูตรอย่างง่ายของสารประกอบไอออนิกต่อไปนี้ 2. Mg กบั P Mg3P2 1. Na กบั Cl NaCl 3. Mg กบั O MgO 4. Mg กบั N Mg3N2 5. Na+ กบั CO32- Na2CO3 6. Ca2+ กบั PO43- Ca3(PO4)2 7. Na กบั S Na2S 8. Mg กบั Cl MgCl2 9. Al กบั O Al2O3 10. PO43- กบั Na+ Na3PO4

การอ่านช่ือสารประกอบไอออนิก อ่านช่ือไอออนบวกก่อน หรือกลุ่มโลหะ อ่านช่ือไอออนลบ ตามหลัง ไม่ต้อ*งอใเมห่า่ือบ้นไอเอลกอขเอลทดนข้่าีแโบนรสวมลดกน่ัาเงปงใจ็นขนาวโวนลางวเ)หลนะบ็ อทะ(รต)านดอว้ซมยิช(นัท่อี ยู่ ช่ือโลหะให้ลงท้ายด้วยไอด์(-ide) เช่น oxide, chloride, sulphide ถ้าเป็ นพวกอนุมูลกรด ให้อ่าน ตามช่ือ เช่น ซัลเฟต ฟอตเฟต คาร์บอเนต

เช่น ไฮโดรเจน เป็ น ไฮไดรด์ (hydride) คลอรีน เป็ น คลอไรด์ (chloride) โบรมีน เป็ น โบรไมด์ (bromide)





การเรียกช่ือทางเคมี BaCl2 barium chloride K2O potassium oxide Mg(OH)2 magnesium hydroxide KNO3 potassium nitrate FeCl2 Cr2S3 iron (II) chloride Cu(NO3)2 chromium (III) sulfide copper (II) nitrate NH4ClO3 ammonium chlorate

สมบัตบิ างประการของสารประกอบไอออนกิ สารประกอบไอออนิกทกุ ชนดิ มีสถานะเปน็ ของแขง็ หรอื ผลกึ ท่ีอณุ หภมู หิ อ้ ง และเปราะ โครงสรา้ งของสารประกอบไอออนิกมีลกั ษณะเปน็ ผลกึ ผลกึ สารประกอบไอออนกิ มรี ปู ทรง เปน็ รปู ลกู บาศก์ ประกอบ ด้วยไอออนบวก และไอออนลบเรยี งสลบั กนั เป็นสามมติ แิ บบ ตา่ งๆ ไม่สามารถแยกเป็น โมเลกลุ เดี่ยวๆ ได้

สมบัตบิ างประการของสารประกอบไอออนิก 2. สารประกอบไอออนิกในภาวะปกตเิ ป็นของแขง็ ประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบ ไอออนเหลา่ นีไ้ ม่เคลอ่ื นที่ จงึ ไม่นา่ ไฟฟา้ แตเ่ มอ่ื หลอมเหลวหรอื ละลายนา่้ จะแตกตวั เปน็ ไอออน และเคลือ่ นทไ่ี ด้ จึงน่าไฟฟา้ ได้

สมบตั ิบางประการของสารประกอบไอออนิก 3. สารประกอบไอออนกิ มจี ุดดอื ดและจดุ หลอมเหลวสูงมาก 4. สารประกอบไอออนิกบางชนิดละลายนา้่ ไดด้ แี ละบางชนดิ ไม่ละลายนา้่ การที่สารประกอบไอออนิกละลายนา่้ ได้เนือ่ งจากแรงดึงดดู ระหว่างโมเลกลุ ของนา้่ กบั ไอออนมคี า่ มากกวา่ แรงยดึ เหนยี่ วระหวา่ ง ไอออนบวกกบั ไอออนลบ

การพจิ ารณาความเป็นไอออนกิ หรือโควาเลนต์ ถ้ามคี ่า EN ต่างกนั มากๆ จะมีสมบตั คิ วามเป็น ไอออนิกมาก แต่ถา้ มีค่า EN ต่างกนั นอ้ ย จะมีสมบตั ิความเป็นโควาเลนตม์ าก * โดยทว่ั ไปถ้าธาตุค่รู ว่ มพนั ธะมีค่า EN ต่างกนั มากกวา่ 1.8 ขึ้นไป จัดเป็น “พนั ธะไอออนิก”

พลังงานกับการเกดิ สารประกอบไอออนกิ การศกึ ษาการเปลี่ยนแปลงพลงั งานในการเกดิ สารประกอบไอออนกิ วธิ กี ารทพี่ จิ ารณาการเปลีย่ นแปลงของพลงั งานที่เกิดขนึ้ พจิ ารณาจาก วฏั จกั รบอรน์ -ฮารเ์ บอร์



พลงั งานแลตทซิ ของสารประกอบไอออนิก (Lattice Energy of Ionic Compound) ปกติค่าพลงั งาน IE, EA จะแสดงถงึ ความเป็ นไปได้ทีจ่ ะเกดิ สารประกอบ ไอออนิก โดยความเสถียรของสารประกอบไอออนิกวดั ได้จาก พลงั งานแลตทิซ (*L*attพicลeงั Eงาnนerทgี่คyา)ยออกมา เมื่อไอออนในภาวะแก๊ส ทาปฏิกิริยากนั เกนิดิยเาปม็นสา“รพปลรงัะงกาอนบทไี่ใอชอ้ทอานใหิก้สทาี่เรปป็นรขะอกงอแบขไง็ อเอรอียนกวิกา่ท่ีเป“็ นพขลอังงงแาขนง็โค1รmงผoลleกึ / พลงั งานแลกตลทาซิยเ”ป(็ นUไ)อออนของก๊าซ ” Lattice energy (kJ/mol) m.p. (oC) LiF 1,017 845 LiCl 828 610 LiBr 787 550 LiI 732 450

การคา่ นวณคา่ พลงั งานแลตทิซโดยใช้ Born – Habor Cycle พลังงานแลตทซิ วดั โดยตรงไมไ่ ด้ ต้องค่านวณทางออ้ มโดยใช้ Born–Habor cycle ซึ่งแบง่ ออกเปน็ ขน้ั ตอนยอ่ ย ๆ แสดงความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง Lattice energy กบั IE, EA และ คณุ สมบตั ขิ องไอออนหรอื โมเลกลุ นน้ั ๆ ตวั อยา่ ง จงคา่ นวณคา่ พลงั งานแลตทิซของสมการ LiF (s)  Li + (g) + F – (g) , H = ?

พลงั งานกบั การเกดิ สารประกอบไอออนิก 1 Na(s) E การระเหิด Na(g) ∆ H1 = +107 kJ/mol 2 ½ Cl2(g) E การสลายพนั ธะCl(g) ∆H2 = +122 kJ/mol 3 Na (g) IE Na+ (g) + e- ∆H3 = +496 kJ/mol 4 Cl (g) + e- EA Cl- (g) ∆H4 = - 349 kJ/mol 5 Na+(g) + Cl-(g) E แลตทซิ NaCl(s) ∆H5 = - 787 kJ/mol

Na+ (g) + e - + Cl(g) ∆H3 = +496 kJ 3 4 ∆H4 = -349 kJ Na(g) + Cl(g) Na+(g) + Cl-(g) ∆H2 = +122 kJ ∆H2f = (+107)+(+122)+(+496)+(-349)+(-787) = - 411 kJ/mol Na(g) + 1/2Cl2(g) วัฏจกั รบอรน์ 5 –∆Hฮ5 =า-เ7บ87อkJร์ ∆H1 = +107 kJ 1 ∆Hf คือ พลงั งานรวมของปฏิกิริยา เริ่มต้น Na(s) + 1/2Cl2(g) ∆Hf = -411 kJ/mol สุดท้าย NaCl (s)







? จะเขียนได้วา่ Hof = Ho1 + Ho2 + Ho3 + Ho4 + Ho5 -594.1 kJ = 155.2 kJ + 75.3 kJ + 520 kJ - 328 kJ + Ho5 ดงั นนั้ H05 = - 1,017 kJ พลงั งานแลตทิซของ LiF เท่ากบั -1,017 kJ

เราสามารถอธิบายการเกดิ LiF (s) ออกเป็ นข้นั ตอนย่อย 5 ข้นั ตอนคอื 1. Li (s)  Li (g) Ho1 = 155.2 kJ (Sublimation) 2. ½ F2 (g)  F (g) Ho2 = 75.3 kJ (Dissociation) 3. Li (g)  Li+ (g) + e- Ho3 = 520 kJ (IE) 4. F (g) + e-  F – (g) Ho4 = - 328 kJ (EA) 5. Li+ (g) + F – (g)  LiF (s) Ho5 = ? Li (s) + ½ F2 (g)  LiF (s) Hof = - 594.1 kJ จะเขียนไดว้ า่ Hof = Ho1 + Ho2 + Ho3 + Ho4 + Ho5 -594.1 kJ = 155.2 kJ + 75.3 kJ + 520 kJ - 328 kJ + Ho5 ดงั น้นั H05 = - 1,017 kJ พลงั งานแลตทิซของ LiF เท่ากบั -1,017 kJ

การละลายน้่าของสารประกอบไอออนิก OH Cl- ไอออน OH H H H Na+ ไอออน NaCl o โมเลกลุ นา้ H H Ho H o H Ho o H H H oH H

ขั้นตอนการละลายน้า่ 1. ท่าใหอ้ นภุ าคของของแขง็ แยกออกจากกนั เป็นการทา่ ลายแรงยดึ เหนยี่ วระหวา่ งอนภุ าค ขน้ั ตอนนตี้ ้องใช้ พลงั งานซง่ึ มคี า่ เทา่ กบั พลงั งานโครงรา่ งผลกึ (พลงั งานโครงรา่ งผลกึ Lattice energy คือ พลงั งานที่ ใชแ้ ยกอนภุ าคของของแขง็ ออกจากกนั ในภาวะแกส๊ ) จะได้ Na+(g) + Cl-(g) : ดดู พลงั งาน H1 NaCl(s) + พลังงานโครงรา่ งผลกึ ขน้ั ตอนนเ้ี ปน็ การดูดพลงั งานเพอื่ สลายพนั ธะเดมิ ของ NaCl 2. อนุภาคทถ่ี ูกแยกออกมาจากขนั้ ตอนแรกจะไปจบั กบั อนภุ าคนา่้ อนุภาคของนา้่ จะคายพลงั งาน ออกมาจา่ นวนหนงึ่ เรยี กวา่ พลงั งานไฮเดรชนั (Hydration energy)  Na+(g) + Cl-(g) Na+(aq) + Cl-(aq) : คายพลงั งาน H2 ข้นั ตอนนเ้ี ป็นการคายพลงั งานเพอ่ื สรา้ งพนั ธะกบั นา่้ โดย aq มาจาก aqueous หมายถึง สารละลายทมี่ นี า่้ เปน็ ตวั ทา่ ละลาย

ขนั้ ตอนการละลายน้า่ ถ้าเรารวมขัน้ ตอนทัง้ 2 เข้าด้วยกันจะได้ Na+(aq) + Cl-(aq) :  H3 NaCl(s) + พลงั งานโครงร่างผลกึ H2 โดย :  H3 = H1 - ถ้า  H3 เป็ นค่าบวกแสดงว่าดดู ความร้อน ถ้า  H3 เป็ นค่าลบแสดงว่าคายความร้อน ถ้า  H3 แสดงว่ าไม่ ดูดไม่ คายความร้ อน

พลงั งานไฮเดรชนั (hydration energy) เป็นพลงั งานที่ปล่อย (คาย) ออกมา เมอ่ื ไอออนบวกและไอออนลบในสถานะแก๊สทีห่ ลุดออกมาจากโครงผลกึ ของสารประกอบไอออนกิ ถูกโมเลกุลน้่าลอ้ มรอบ เกิดเป็นแรงยดึ เหนี่ยวระหวา่ ง โมเลกุลของน่า้ กับไอออนบวกและลบ ดังสมการ Na+(g) + Cl-(g) H2O Na+ (aq) + Cl-(aq) + 764 kJ/mol ## สารใดมีพลงั งานไฮเดรชนั มากจะยงิ่ ละลายน้าไดด้ ี พลังงานแลตทชิ (Lattice energy) เป็นพลงั งานท่ีใชใ้ นการสลายโครงผลึกของ สารประกอบไอออนิกเป็นไอออนบวกและไอออนลบในสถานะแกส๊ (หรือ เป็น พลงั งานที่คายออกมาเม่ือไอออนบวกและไอออนลบในสถานะแก๊สรวมตวั กนั เกิด เป็ นโครงผลึกของสารประกอบไอออนิก Na+(g) + Cl-(g) คายพลงั งาน NaCl(s) + 768.3 kJ/mol NaCl(s) ดูดพลงั งาน Na+(g) + Cl-(g) ; = +768.3 kJ/mol

พลงั งานกบั การละลายนา้่ ของสารประกอบไอออนิก Na+(g) + Cl-(g) 1 2 ∆Hlatt = +776 kJ ∆Hhyd = -771 kJ NaCl(s) Na+(aq) + Cl-(aq) ∆Hsoln = +5 kJ (พลงั งานของการละลาย)

สรุปการละลายน่า้ ของสารประกอบไอออนิก ∆Hlattice > ∆Hhydration แสดงว่ามกี ารดูดพลงั งาน ∆ ∆Hhydration > Hlattice แสดงว่ามีการคายพลงั งาน ∆Hlattice >>> ∆Hhydration แสดงว่าสารไอออนิกน้นั ไม่ค่อยละลาย สารท่ีละลายน้าได้ < 0.1 g/H2O 100 cm3 ที่ 25 0C แสดงวา่ ไม่ละลาย สารท่ีละลายน้าได้ 0.1-1.0 g/H2O 100 cm3 ที่ 25 0C แสดงวา่ ละลายไดบ้ างส่วน สารท่ีละลายน้าได้ > 1.0 g/H2O 100 cm3 ท่ี 25 0C แสดงวา่ ละลายไดด้ ี



การทดลองท่ี 2.2 การละลายของสารประกอบไอออนกิ ในน่า้



อภิปรายผลการทดลอง สารทั้ง 3 ชนดิ ละลายในนา้่ ไดแ้ ตกต่างกนั ดงั ตอ่ ไปน้ี NH4Cl ละลายในนา้่ ได้อยา่ งรวดเรว็ การเปลย่ี นแปลงประเภทดูดความรอ้ น NaCl ละลายในนา่้ ได้ดี มีการเปลยี่ นแปลงพลงั งานนอ้ ยมาก เพราะอณุ หภมู ขิ องสารละลายเกอื บคงท่ี CuSO4 ละลายในน้า่ ไดช้ า้ การเปลยี่ นแปลงประเภทคายความรอ้ น

อภิปรายผลการทดลอง (ต่อ) อณุ หภมู ิเป็นป―จจัยสา่ คญั อยา่ งหน่งึ ท่มี ีผลตอ่ การละลายของสาร สารทล่ี ะลายในตัวท่าละลายได้มากขน้ึ เมอ่ื อณุ หภมู ขิ องสารละลายสงู ขนึ้ จะมขี ั้นตอนในการละลายเปน็ แบบดดู พลงั งาน เช่น NH4NO3 ส่วนสารละลายในตวั ท่าละลายได้น้อยลง เมื่ออุณหภมู ขิ องสารละลาย เพิม่ ขนึ้ จะมีขน้ั ตอนในการละลายเป็นแบบคายพลังงาน เชน่ Ce2(SO4)3



ผลการทดลอง การเปล่ียนแปลงเม่ือเตมิ สารละลาย สารละลาย Na2CO3 NH4Cl Pb(NO3)2 เกดิ ตะกอนสีขาว เกดิ ตะกอนสีขาว Ca(OH)2 ไม่เกดิ ตะกอน ไม่เกดิ ตะกอน เกดิ ตะกอนสีขาว Na2SO4 ไม่เกดิ ตะกอน ไม่เกดิ ตะกอน เกดิ ตะกอนสีเหลือง ไม่เกดิ ตะกอน KI 1. เม่ือผสมสารละลาย 2 ชนดิ เขา้ ด้วยกนั แลว้ ไม่มตี ะกอนเกดิ ขน้ึ แสดงว่า ไอออนในสารละลายไมร่ วมตวั กนั จึงไมม่ ีปฏิกริ ยิ าเคมเี กดิ ขน้ึ 2. เมอ่ื ผสมสารละลาย 2 ชนิด เข้าด้วยกนั แลว้ มตี ะกอนเกดิ ขนึ้ แสดงวา่ ไอออนในสารละลายรวมตัวกนั เกดิ เป็นสารใหมท่ ไ่ี ม่ละลายในนา้่ หรือมี ปฏกิ ิรยิ าเคมเี กดิ ขึ้น