3.2พันธะไอออนิก

3.2พันธะไอออนิก

 เป็นพันธะที่เกิดจากการที่อะตอมหนึ่งเป็นฝ่ายให้อิเล็กตรอนระดับนอก  และอีกอะตอมหนึ่งเป็นฝ่ายรับอิเล็กตรอนเข้ามาสู่ระดับนอก  แล้วทำให้อะตอมทั้งสองฝ่ายอยู่ในสภาพเสถียร (ครบ 8 ตามกฎออกเตต)  เช่น  ธาตุในหมู่  1A ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 ถ้าเอาอิเล็กตรอนตัวนี้ออกไปเสีย อิเล็กตรอนในระดับถัดเข้าไปจะมีจำนวนเท่ากับ 8 ซึ่งเป็นโครงสร้างที่เสถียรเหมือนแก๊สเฉื่อย เช่น Na มีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น  1s2 2s22p6 3s1  ถ้าเอาอิเล็กตรอน 3s1  ออกไป  จะเกิดเป็น  Na+   จะมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น  1s2  2s2  2p6  ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ  8  ซึ่งเป็นโครงสร้างที่เสถียรเหมือนแก๊สเฉื่อย  คือ  Ne  ซึ่งมีโครงสร้างอิเล็กตรอนคือ 1s2 2s22p6 ส่วนธาตุในหมู่  7A มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ  7 ต้องการอีก 1 ตัว จะครบ  8 เช่น  Cl  มีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น  1s2 2s2 2p6 3s2 3p5   ถ้ารับอิเล็กตรอนเข้ามาหนึ่งตัวจะกลายเป็น Cl –  โครงสร้างอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนเป็น  1s2 2s2 2p6 3s2 3p6  ซึ่งเหมือนโครงสร้างอิเล็กตรอนของ  Ar  ซึ่งเป็นธาตุเฉื่อย

      อะตอมที่มีอิเล็กตรอนระดับนอกจำนวนน้อย  มีพลังงานการแตกตัวเป็นไอออนต่ำและมีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนต่ำ มีแนวโน้มที่จะเสียอิเล็กตรอนระดับนอกไปแล้วกลายเป็นไอออนบวก  ส่วนธาตุที่มีอิเล็กตรอนระดับนอกมากมีพลังงานการแตกตัวเป็นไอออนสูงมีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูง มีแนวโน้มจะรับอิเล็กตรอนได้ง่ายและกลายเป็นไอออนลบ  เมื่ออะตอมเหล่านี้ถ่ายโอนอิเล็กตรอนให้แก่กันแล้วเกิดเป็นไอออนบวกและไอออนลบซึ่งมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงเกิดแรงดึงดูดกันทางไฟฟ้ายึดเหนี่ยวให้ไอออนทั้งสองอยู่ด้วยกัน พันธะระหว่างไอออนบวกและไอออนลบนี้เรียกว่า  พันธะไอออนิก  หรือพันธะอิเล็กโทรเวเลนซ์ และเรียกสารประกอบที่เกิดขึ้นว่า  สารประกอบไอออนิก

      พันธะไอออนิกเกิดได้ง่ายระหว่างธาตุที่กลายเป็นไอออนบวกได้ง่าย  เช่น  ธาตุหมู่  1A และหมู่  2 A กับธาตุที่กลายเป็นไอออนลบได้ง่าย  เช่น  ธาตุหมู่  7A  และ  6 A  ตัวอย่างเช่น

มีหลายกรณีที่ไอออนบวกกับไอออนลบในสารประกอบมีประจุต่างกัน  เช่น เผาลิเทียม  (Li)  ในอากาศได้เป็นลิเทียมออกไซด์   (Li2O)  ดังสมการ

สัญลักษณ์ลิวอิสแสดงการเกิด LiO2  สามารถเขียนได้ดังนี้

พันธะไอออนิกไม่มีทิศทางที่แน่นอน  เพราะเกิดจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างไอออนบวกกับไอออนลบ

สารประกอบไอออนิก

สารประกอบไอออนิก  เป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนที่มาอยู่รวมกันยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิกคือแรงดึงดูดทางไฟฟ้าระหว่างไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน การที่ไอออนรวมกันอยู่เป็นกลุ่มทำให้สารประกอบไอออนิกมีสมบัติ  ดังนี้

1. การละลาย สารประกอบไอออนิก  ส่วนมากละลายน้ำได้ ไม่ละลายในตัวทำละลายที่เป็นสารอินทรีย์อื่น ๆ  จากความสามารถละลายน้ำได้ จะพบสารประกอบไอออนิกละลายอยู่ในน้ำทะเลและมหาสมุทร เช่น NaCl เป็นต้น
2. การนำไฟฟ้า  สารประกอบไอออนิกในสภาพของแข็ง  มีการนำไฟฟ้าต่ำมาก เพราะไอออนเกาะกันแน่นในโครงสร้างของผลึก จึงไม่สามารถเคลื่อนที่อย่างอิสระได้ แต่เมื่อละลายน้ำเป็นสารละลาย  หรืออยู่ในสภาวะหลอมเหลวจะนำไฟฟ้าได้ดี  ทั้งนี้เนื่องจากเกิดการแตกตัวเป็นไอออน  และไอออนเหล่านี้เคลื่อนที่ได้เป็นอิสระภายใต้สนามไฟฟ้า  เช่น  การทำอิเล็กโทรไลซิสเกลือชนิดต่าง ๆ
3. ความแข็ง สารประกอบไอออนิกโดยทั่วไปเป็นของแข็ง ภายในผลึกประกอบด้วยแรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนที่เกิดจากไฟฟ้าสถิตที่แข็งแรงมากจากการทดลองโดยใช้รังสีเอ็กซ์  ศึกษาโครงสร้างผลึกโซเดียมคลอไรด์  พบว่ามีกลุ่มอิเล็กตรอน  2  กลุ่ม  กลุ่มหนึ่งมีอิเล็กตรอน  10  ตัว อีกกลุ่มหนึ่งมีอิเล็กตรอน  18  ตัว  ล้อมรอบนิวเคลียสหนึ่ง ๆ  จำนวนอิเล็กตรอน  2  กลุ่มนี้ตรงกับจำนวนอิเล็กตรอนของโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออน  ตามลำดับ สมบัติที่เกี่ยวกับความแข็งของสารประกอบไอออนิกเนื่องมาจาก  การดึงดูดกันระหว่างไอออนในโครงสร้างของผลึก
4. จุดเดือดและจุดหลอมเหลว สารประกอบไอออนิกมีแนวโน้มที่จะมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง  เนื่องจากมีพันธะไอออนิกที่แข็งแรง  และมีแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกและไอออนลบทุกทิศทาง  เช่น  NaCl  เมื่อพิจารณาในโครงสร้างของผลึก  พบว่า แต่ละ Na+ จะดึงดูดกับ  Cl–  ไอออน  ที่อยู่ล้อมรอบ  และขณะเดียวกันแต่ละ  Cl– จะดึงดูดกับ  Na+    6  ไอออนการดึงดูดจะเป็นไปในลักษณะเช่นนี้ตลอดทั้งผลึก  และเป็นผลให้  NaCl  มีจุดหลอมเหลวสูง

(ที่มา : http://projects.edte.utwente.nl/deeltjesmodel/FS-register.html)

        พลังงานของการเกิดผลึกที่เกิดจากไอออนบวกและไอออนลบในผลึกเกิดเป็นแลตทิชของผลึกนั้นเรียกพลังงานแลตทิซ     ( lattice energy, U )  พลังงานนี้จะถูกคายออกมาเมื่อไอออนในสถานะแก๊สทำปฏิกิริยากันคลายเป็นผลึกของแข็ง  และค่าพลังงานแลตทิซนี้จะเป็นค่าที่บอกถึงความเสถียรของผลึกนั้น ในทางกลับกันอาจให้คำจำกัดความของพลังงานแลตทิซได้ว่า คือพลังงานที่ให้กับสารประกอบผลึกของแข็งไอออนิก 1 โมล แล้วเกิดการสลายตัวกลายเป็นไอออนบวกและไอออนลบในสภาพแก๊ส

        ปฏิกิริยาของโซเดียมกับคลอรีน เกิดขึ้นเพียงขั้นเดียวมากกว่าที่จะมีหลายขั้นตอนแต่การคำนวณการเปลี่ยนแปลงพลังงาน อาจทำให้สะดวกขึ้นถ้าแบ่งปฏิกิริยาเป็น  5  ขั้นตอน ดังนี้

1. การเปลี่ยนสถานะของโลหะโซเดียมจากของแข็งไปเป็นไอ  (การระเหิด)

2. การสลายตัวของคลอรีนโมเลกุลเป็นคลอรีนอะตอม  ใช้พลังงาน 243  kJ/mol ของ Cl2

3. การเปลี่ยนโซเดียมอะตอมให้เป็นโซเดียมไอออน  (ค่า IE)

4. การเปลี่ยนคลอรีนอะตอมให้เป็นคลอไรด์ไอออน  (ค่า EA)

5. การรวมกันของโซเดียมไอออนและคลอไรด์ไอออนเป็น  NaCl  การเปลี่ยนแปลงพลังงานในขั้นตอนนี้ ขึ้นกับแรงดึงดูดระหว่างประจุ  ซึ่งเป็นพลังงานที่ปลดปล่อย มีค่าเท่ากับ -787 kJ/Mol สำหรับ NaCl

รวมปฏิกิริยา 5 ขั้นตอนและการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้  ดังนี้

        ผลรวมของการเปลี่ยนแปลงพลังงานทั้ง  5  ขั้นตอนเท่ากับการเปลี่ยนแปลงพลังงานสุทธิของปฏิกิริยารวม  ซึ่งแสดงเป็นแผนภาพขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงพลังงานในปฏิกิริยาระหว่างโซเดียมและคลอรีน  เรียกว่า  วัฏจักรบอร์น-ฮาเบอร์  (Born-Haber cycle) ดังนี้

ภาพที่ 23  วัฏจักรบอร์น –  ฮาเบอร์

      จากแผนภาพจะเห็นว่าขั้นตอนที่  1, 2  และ 3  เป็นขั้นตอนการดูดพลังงาน  (การเปลี่ยนแปลงพลังงานมีค่าเป็น +)  ในขณะที่ขั้นตอนที่ 4 และ 5 เป็นขั้นตอนการคายพลังงาน  โดยเฉพาะขั้นตอนที่ 5 นั้นเป็นการสร้างพันธะไอออนิก