พันธะไอออนิกและโลหะ
- เกลือแกงกับทองแดงต่างมีอนุภาคยึดเหนี่ยวกัน แต่ตัวพาประจุและการจัดเรียงอนุภาคไม่เหมือนกัน จึงอธิบายสมบัติที่สังเกตได้ต่างกัน
- พื้นฐานที่ใช้: โลหะมีแนวโน้มเสียอิเล็กตรอนเวเลนซ์เป็นแคตไอออน ส่วนอโลหะมักรับอิเล็กตรอนเป็นแอนไอออน; ประจุบวกและลบมีแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต
เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข
1. แรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตสร้างโครงผลึกไอออนิก
- พันธะไอออนิกเกิดจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนบวกและไอออนลบ โดยจัดเรียงตัวเป็นโครงผลึกสามมิติ (Crystal lattice) ต่อเนื่อง ไม่ได้อยู่เป็นโมเลกุลเดี่ยวแยกขาด
- ลักษณะของโครงผลึกไอออนิก:
- ไอออนแต่ละตัวถูกล้อมรอบด้วยไอออนประจุตรงข้ามตามอัตราส่วนประจุและขนาด (Coordination number)
- สูตรเคมีของสารประกอบไอออนิก เช่น จึงเป็น สูตรเอมพิริคัล (อัตราส่วนอย่างต่ำ) ไม่ใช่สูตรโมเลกุล
- ในสถานะของแข็ง ไอออนยึดแน่นในตำแหน่งของผลึกและไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ จึงไม่นำไฟฟ้า

- จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
- ภาพรวม: การเปรียบเทียบตัวพาประจุและการนำไฟฟ้าระหว่างผลึกไอออนิก ของหลอม และโลหะ
- ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
- (ของแข็ง): ไอออนบวกและลบตรึงแน่นในโครงผลึก ไม่เคลื่อนที่ ไม่นำไฟฟ้า
- (ของเหลว/ของหลอม): ไอออนหลุดออกจากโครงผลึกและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ นำไฟฟ้าได้
- โลหะ: ประกอบด้วยแกนไอออนบวกและอิเล็กตรอนเวเลนซ์ที่กระจายตัวเคลื่อนที่ทั่วโครงสร้าง (Sea of electrons) นำไฟฟ้าได้ดีในทุกสถานะ
- ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงแผนภาพเชิงหลักการพาประจุ ไม่ได้แสดงมิติผลึกจริงหรือขนาดสัดส่วนของไอออน
2. สมบัติเชิงกลและการนำไฟฟ้าของสารไอออนิก
- ความเปราะและจุดหลอมเหลว:
- มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง เนื่องจากต้องใช้พลังงานสูงมากในการทำลายแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตทั่วโครงผลึก
- ความเปราะ (Brittleness): เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำจนชั้นผลึกเลื่อน ไอออนประจุเหมือนกันจะเลื่อนมาตรงกัน เกิดแรงผลักทางไฟฟ้าอย่างรุนแรงทำให้ผลึกแตกหักตามระนาบ
- การนำไฟฟ้า:
- ของแข็งไม่นำไฟฟ้า แต่เมื่อหลอมเหลวหรือละลายน้ำเกิดเป็นไอออนที่เคลื่อนที่ได้ จึงนำไฟฟ้าได้
- ข้อควรระวัง: สารประกอบไอออนิกไม่ได้ละลายน้ำได้ดีทุกชนิด (เช่น เกลือที่ไม่ละลายหรือละลายได้น้อยมาก)
3. แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอนอธิบายสมบัติของโลหะ
- โครงสร้างของพันธะโลหะ:
- ประกอบด้วยแกนประจุบวกของอะตอมโลหะจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบ ท่ามกลางอิเล็กตรอนเวเลนซ์ที่หลุดออกจากอะตอมและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งก้อน (Delocalized electrons)
- การอธิบายสมบัติต่าง ๆ:
- การนำไฟฟ้าและความร้อน: อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อิสระทำหน้าที่เป็นตัวพาประจุและถ่ายโอนพลังงานจลน์ได้อย่างรวดเร็ว
- ความสามารถในการตีแผ่เป็นแผ่นหรือดึงเป็นเส้น (Malleability & Ductility): เมื่อถูกแรงกระทำ ชั้นแกนประจุบวกเลื่อนไถลได้โดยไม่แตกหัก เพราะทะเลอิเล็กตรอนยังคงปรับตัวยึดเหนี่ยวแกนบวกไว้ต่อเนื่อง
- ความมันวาว (Luster): อิเล็กตรอนอิสระสามารถดูดกลืนและสะท้อนแสงที่ตกกระทบได้ดี
4. ผลึกโมเลกุลต่างจากผลึกโคเวเลนต์ร่างตาข่าย
- ผลึกโมเลกุล (Molecular solids):
- ประกอบด้วยโมเลกุลโคเวเลนต์แยกกัน ยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลด้วยแรงระหว่างโมเลกุล (เช่น น้ำแข็ง, น้ำตาล, แนฟทาลีน)
- แรงยึดเหนี่ยวอ่อนกว่าพันธะเคมีมาก จึงมีจุดหลอมเหลวต่ำ เปราะ และไม่นำไฟฟ้า
- ผลึกโคเวเลนต์ร่างตาข่าย (Network covalent solids):
- อะตอมทั้งหมดเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ต่อเนื่องทั่วทั้งผลึกเป็นโครงข่ายสามมิติ (เช่น เพชร, ควอตซ์ )
- มีความแข็งมาก จุดหลอมเหลวสูงมาก และไม่นำไฟฟ้า (เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนอิสระหรือไอออน)
- กราไฟต์ (Graphite) เป็นข้อยกเว้นสำคัญ:
- คาร์บอนจัดเรียงเป็นชั้นสองมิติด้วยพันธะโคเวเลนต์ โดยมีอิเล็กตรอน ที่กระจายตัวเคลื่อนที่ได้ภายในชั้น จึงนำไฟฟ้าได้ดีในแนวระนาบของชั้น
5. องค์ประกอบแก้วเปลี่ยนสมบัติของโครงข่ายซิลิเกต
- แก้วซิลิเกตเป็นของแข็งอสัณฐาน (Amorphous solid) ที่ไม่มีการจัดเรียงอนุภาคเป็นระเบียบระยะไกลแบบผลึก การเติมออกไซด์ชนิดต่าง ๆ ลงในโครงข่าย ปรับเปลี่ยนสมบัติเฉพาะทาง:
- Borosilicate glass: มีส่วนผสมของ ช่วยลดสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน ทนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉียบพลันและทนสารเคมีได้ดี จึงใช้ทำเครื่องแก้วในห้องปฏิบัติการ
- Soda-lime glass: มีส่วนประกอบหลักคือ ร่วมกับ และ หลอมขึ้นรูปง่าย นิยมใช้ทำขวดแก้ว กระจกหน้าต่าง และแก้วน้ำ
- Lead crystal glass: มีส่วนผสมของ ทำให้ดัชนีหักเหแสงสูง เกิดประกายแวววาวเมื่อเจียระไน นิยมใช้ทำเครื่องประดับและภาชนะคริสตัล (คำว่า "คริสตัล" ในที่นี้เป็นชื่อทางการค้า ไม่ใช่ของแข็งผลึก)
6. ใช้วงจร Born–Haber หาเอนทัลปีโครงผลึก (Lattice Enthalpy)
- วงจร Born–Haber อาศัยกฎของเฮสส์ (Hess's Law) ในการเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีของแต่ละขั้นตอนเข้ากับเอนทัลปีการเกิดมาตรฐาน ():
- ความสัมพันธ์ในวงจร Born–Haber:
- : เอนทัลปีการระเหิดของโลหะ (ดูดความร้อน, )
- : พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่หนึ่งของโลหะ (ดูดความร้อน, )
- : พลังงานพันธะของอโลหะ (ดูดความร้อน, )
- : เอนทัลปีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของอโลหะ (คายความร้อน, สำหรับขั้นแรก)
- : เอนทัลปีการเกิดโครงผลึกจากไอออนในสถานะแก๊ส (คายความร้อน, )
- ข้อพึงระวังเรื่องเครื่องหมาย:
- เมื่อโจทย์กำหนดสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเป็นปริมาณพลังงานที่คาย ให้ใส่เครื่องหมายลบในสมการเอนทัลปี
- เอนทัลปีการเกิดโครงผลึก () มีค่าเป็นลบ ส่วนพลังงานโครงผลึก (Lattice energy ในรูปการสลายผลึก) จะรายงานเป็นค่าบวกขนาดเดียวกัน
ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?
หาสูตรเกลือจากประจุของไอออน
-
สังเกตจากโจทย์: โจทย์ให้ชนิดและประจุของแคตไอออนกับแอนไอออน
-
เลือกวิธีคิด: เลือกจำนวนเต็มน้อยที่สุดให้ผลรวมประจุเป็นศูนย์ แล้วตรวจสัดส่วนก่อนเขียนสูตร
อธิบายการนำไฟฟ้าหรือความเปราะ
-
สังเกตจากโจทย์: เปรียบเทียบผลึกแข็ง ของหลอม สารละลาย หรือโลหะ
-
เลือกวิธีคิด: ถามว่ามีอนุภาคมีประจุชนิดใดและเคลื่อนที่ผ่านตัวอย่างได้หรือไม่; แยกการนำของอิเล็กตรอนในโลหะจากการเคลื่อนที่ของไอออน
จำแนกชนิดผลึกจากตารางสมบัติ
- สังเกตจากโจทย์: มีจุดหลอมเหลว/เดือด ความแข็ง และการนำไฟฟ้าขณะเป็นของแข็งกับของเหลว
- เลือกวิธีคิด: ของแข็งไอออนิกมักเปราะและไม่นำไฟฟ้า แต่ของหลอมหรือละลายที่มีไอออนเคลื่อนที่ได้นำไฟฟ้า; โลหะนำไฟฟ้าขณะเป็นของแข็ง; ผลึกโมเลกุลมักอ่อนและหลอมง่าย; ผลึกร่างตาข่ายมักแข็งและหลอมยาก โดยคำนึงถึงข้อยกเว้นอย่างกราไฟต์
จำแนกชนิดแก้วจากสมบัติและการใช้งาน
- สังเกตจากโจทย์: ทนช็อกจากความร้อน/สารเคมี, ใช้ทำขวดหรือกระจก, ดูดกลืน UV หรือมีดัชนีหักเหสูง.
- เลือกวิธีคิด: จับคู่ borosilicate กับเครื่องแก้วทนความร้อน, soda-lime กับขวด/แก้วน้ำ/กระจก, และ lead crystal กับ PbO/ดัชนีหักเหสูง; พิจารณาองค์ประกอบที่ระบุ ไม่สรุปการส่งผ่าน UV จากชื่อแก้วเพียงอย่างเดียว.
ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด
ตัวอย่าง 1 · หาอัตราส่วนของแคลเซียมคลอไรด์
Ca²⁺ รวมกับ Cl⁻ เป็นสารประกอบไอออนิก สูตรอย่างง่ายคืออะไร?
- สูตรต้องแทนผลึกที่เป็นกลาง ไม่ได้จับคู่ไอออนเพียงหนึ่งคู่โดยเดา
- ประจุ +2 ของ Ca²⁺ ต้องถูกชดเชยด้วย Cl⁻ สองไอออน ซึ่งให้ผลรวม +2 + 2(−1)=0
- เขียนสัญลักษณ์แคตไอออนก่อน แล้วใส่เลขดัชนี 2 ให้คลอไรด์; ไม่เขียนเลข 1
คำตอบ: CaCl₂ หน่วยสูตรเป็นกลางหนึ่งหน่วยมี Ca²⁺ หนึ่งตัวต่อ Cl⁻ สองตัว
ตรวจเหตุผล: นับประจุ: +2−2=0; อัตราส่วน 1:2 ย่อไม่ได้อีก
ตัวอย่าง 2 · ทำนายตัวพาประจุในสามตัวอย่าง
เปรียบเทียบ NaCl(s), NaCl(l) และลวด Cu(s): ตัวอย่างใดนำไฟฟ้าได้ และอนุภาคใดเคลื่อนที่?
- ระบุชนิดของของแข็งก่อน: NaCl เป็นโครงผลึกไอออนิก ส่วน Cu เป็นโครงผลึกโลหะ
- ใน NaCl(s) ไอออนสั่นใกล้ตำแหน่งประจำแต่ไม่เคลื่อนผ่านผลึก; เมื่อหลอมเป็น NaCl(l) ไอออนเคลื่อนที่ได้
- ใน Cu(s) อิเล็กตรอนที่กระจายตัวเคลื่อนที่และพากระแสได้ แม้โลหะเป็นของแข็ง
คำตอบ: NaCl(s) ไม่นำ; NaCl(l) นำด้วยไอออนที่เคลื่อนที่ได้; Cu(s) นำด้วยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้
ตรวจเหตุผล: อย่าตอบว่าสารที่มีประจุในสูตรย่อมนำไฟฟ้า: ตัวพาประจุต้องเคลื่อนที่ได้จริง