พันธะไอออนิกและโลหะ

- เกลือแกงกับทองแดงต่างมีอนุภาคยึดเหนี่ยวกัน แต่ตัวพาประจุและการจัดเรียงอนุภาคไม่เหมือนกัน จึงอธิบายสมบัติที่สังเกตได้ต่างกัน

• พื้นฐานที่ใช้: โลหะมีแนวโน้มเสียอิเล็กตรอนเวเลนซ์เป็นแคตไอออน ส่วนอโลหะมักรับอิเล็กตรอนเป็นแอนไอออน; ประจุบวกและลบมีแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. แรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตสร้างโครงผลึกไอออนิก

• พันธะไอออนิกเกิดจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตระหว่างไอออนบวกและไอออนลบ โดยจัดเรียงตัวเป็นโครงผลึกสามมิติ (Crystal lattice) ต่อเนื่อง ไม่ได้อยู่เป็นโมเลกุลเดี่ยวแยกขาด

• ลักษณะของโครงผลึกไอออนิก:
  • ไอออนแต่ละตัวถูกล้อมรอบด้วยไอออนประจุตรงข้ามตามอัตราส่วนประจุและขนาด (Coordination number)
  • สูตรเคมีของสารประกอบไอออนิก เช่น $\mathrm{NaCl}$ จึงเป็น สูตรเอมพิริคัล (อัตราส่วนอย่างต่ำ) ไม่ใช่สูตรโมเลกุล
  • ในสถานะของแข็ง ไอออนยึดแน่นในตำแหน่งของผลึกและไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ จึงไม่นำไฟฟ้า

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: การเปรียบเทียบตัวพาประจุและการนำไฟฟ้าระหว่างผลึกไอออนิก ของหลอม และโลหะ
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
    • $\mathrm{NaCl(s)}$ (ของแข็ง): ไอออนบวกและลบตรึงแน่นในโครงผลึก ไม่เคลื่อนที่ $\rightarrow$ ไม่นำไฟฟ้า
    • $\mathrm{NaCl(l)}$ (ของเหลว/ของหลอม): ไอออนหลุดออกจากโครงผลึกและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ $\rightarrow$ นำไฟฟ้าได้
    • โลหะ: ประกอบด้วยแกนไอออนบวกและอิเล็กตรอนเวเลนซ์ที่กระจายตัวเคลื่อนที่ทั่วโครงสร้าง (Sea of electrons) $\rightarrow$ 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 $\mathrm{SiO_2}$)
  • มีความแข็งมาก จุดหลอมเหลวสูงมาก และไม่นำไฟฟ้า (เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนอิสระหรือไอออน)
• กราไฟต์ (Graphite) เป็นข้อยกเว้นสำคัญ:
  • คาร์บอนจัดเรียงเป็นชั้นสองมิติด้วยพันธะโคเวเลนต์ โดยมีอิเล็กตรอน $\pi$ ที่กระจายตัวเคลื่อนที่ได้ภายในชั้น จึงนำไฟฟ้าได้ดีในแนวระนาบของชั้น

5. องค์ประกอบแก้วเปลี่ยนสมบัติของโครงข่ายซิลิเกต

• แก้วซิลิเกตเป็นของแข็งอสัณฐาน (Amorphous solid) ที่ไม่มีการจัดเรียงอนุภาคเป็นระเบียบระยะไกลแบบผลึก การเติมออกไซด์ชนิดต่าง ๆ ลงในโครงข่าย $\mathrm{SiO_2}$ ปรับเปลี่ยนสมบัติเฉพาะทาง:

• Borosilicate glass: มีส่วนผสมของ $\mathrm{B_2O_3}$ ช่วยลดสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน ทนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉียบพลันและทนสารเคมีได้ดี จึงใช้ทำเครื่องแก้วในห้องปฏิบัติการ
• Soda-lime glass: มีส่วนประกอบหลักคือ $\mathrm{SiO_2}$ ร่วมกับ $\mathrm{Na_2O}$ และ $\mathrm{CaO}$ หลอมขึ้นรูปง่าย นิยมใช้ทำขวดแก้ว กระจกหน้าต่าง และแก้วน้ำ
• Lead crystal glass: มีส่วนผสมของ $\mathrm{PbO}$ ทำให้ดัชนีหักเหแสงสูง เกิดประกายแวววาวเมื่อเจียระไน นิยมใช้ทำเครื่องประดับและภาชนะคริสตัล (คำว่า "คริสตัล" ในที่นี้เป็นชื่อทางการค้า ไม่ใช่ของแข็งผลึก)

6. ใช้วงจร Born–Haber หาเอนทัลปีโครงผลึก (Lattice Enthalpy)

• วงจร Born–Haber อาศัยกฎของเฮสส์ (Hess's Law) ในการเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงเอนทัลปีของแต่ละขั้นตอนเข้ากับเอนทัลปีการเกิดมาตรฐาน ($\Delta H_f^\circ$):

• ความสัมพันธ์ในวงจร Born–Haber: $$\Delta H_f^\circ = \Delta H_{\text{sub}} + \mathrm{IE}_1 + \frac{1}{2}D(\mathrm{X}_2) + \Delta H_{\text{EA}} + \Delta H_{\text{latt,form}}$$
  • $\Delta H_{\text{sub}}$: เอนทัลปีการระเหิดของโลหะ (ดูดความร้อน, $+$)
  • $\mathrm{IE}_1$: พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่หนึ่งของโลหะ (ดูดความร้อน, $+$)
  • $D(\mathrm{X}_2)$: พลังงานพันธะของอโลหะ (ดูดความร้อน, $+$)
  • $\Delta H_{\text{EA}}$: เอนทัลปีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของอโลหะ (คายความร้อน, $-$ สำหรับขั้นแรก)
  • $\Delta H_{\text{latt,form}}$: เอนทัลปีการเกิดโครงผลึกจากไอออนในสถานะแก๊ส (คายความร้อน, $-$)
• ข้อพึงระวังเรื่องเครื่องหมาย:
  • เมื่อโจทย์กำหนดสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเป็นปริมาณพลังงานที่คาย ให้ใส่เครื่องหมายลบในสมการเอนทัลปี
  • เอนทัลปีการเกิดโครงผลึก ($\Delta H_{\text{latt,form}}$) มีค่าเป็นลบ ส่วนพลังงานโครงผลึก (Lattice energy ในรูปการสลายผลึก) จะรายงานเป็นค่าบวกขนาดเดียวกัน

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด