พันธะเคมี
สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง
ของเหลว หรือแก๊ส เช่น
เหล็ก ทองแดง เกลือแกง
น้ำตาลทราย น้ำ แก๊สไฮโดรเจน
สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน
อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร
เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง
\displaystyle 1535^ \circ Cการทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง
\displaystyle 801^ \circ C การสลายโมเลกุลของไฮโดรเจนให้เป็นอะตอมของไฮโดรเจนในสถานะแก๊สต้องใช้พลังงาน
436 กิโลจูลต่อโมล
จากตัวอย่างดังกล่าวเป็นหลักฐานที่แสดงว่ามี<b>แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสาร</b>
แรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารอาจเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมในก้อนโลหะ
แรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนในสารประกอบไอออนิกให้อยู่ร่วมกันเป็นผลึก
หรือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของธาตุให้อยู่รวมกันเป็นโมเลกุล
แรงยึดเหนี่ยวดังตัวอย่างข้างต้นนี้เรียกว่า<b>พันธะเคมี</b>
ในบทนี้นักเรียนจะได้ศึกษาพันธะเคมีที่มีอยู่ในสารชนิดต่างๆ ศึกษาโครงสร้างหรือรูปร่างโมเลกุลของสารรวมทั้งผลของแรงยึดเหนี่ยวที่มีต่อสมบัติของสาร
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^1ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1
คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น \displaystyle ls^2
2s^2 2p^6 3s^2 3p^5ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7
การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8
เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1
อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1
จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน \displaystyle (Na^+ ) ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ
\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่
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
