พันธะไอออนิก

     สารในธรรมชาติอาจปรากฎอยู่ในสถานะของแข็ง  ของเหลว  หรือแก๊ส  เช่น  เหล็ก  ทองแดง  เกลือแกง  น้ำตาลทราย  น้ำ  แก๊สไฮโดรเจน  สารเหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กในรูปของไอออน อะตอมหรือโมเลกุลจำนวนมากอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนและแสดงสมบัติเฉพาะตัว การทำให้สารเปลี่ยนแปลงจะต้องใช้พลังงานปริมาณหนึ่งซึ่งมาหรือน้อยขึ้นอยู่กับชนิดของสาร เช่น การทำให้เหล็กหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง  การทำให้โซเดียมคลอไรด์หรือเกลือแกงหลอมเหลวต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง  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 
 ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 ยกเว้นฮีเลียมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ส่วนธาตุอื่นๆ มักทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารประกอบเพื่อจะปรับให้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 8 เท่ากับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของแก๊สเฉื่อย แสดงว่าอะตอมที่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 เป็นสภาพที่เสถียรที่สุด การที่อะตอมของธาตุต่างๆ รวมกันด้วยสัดส่วนที่ทำให้อะตอมมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 8 นี้เรียกว่า กฎออกเตต การเกิดสารประกอบระหว่างอะตอมของโลหะจะมีลักษณะการรวมตัวอย่างไรศึกษาได้จากตัวอย่างการเกิดสารประกอบโซเดียมคลอไรด์และแคลเซียมฟลูออไรด์ต่อไปนี้
 


          โซเดียมมีเลขอะตอม 11  จัดอิเล็กตรอนเป็น  ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1 คลอรีนมีเลขอะตอม 17 จัดอิเล็กตรอนเป็น ซึ่งมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7 การที่โซเดียมและคลอรีนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 เช่นเดียวกับแก๊สเฉื่อย โซเดียมต้องให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนแก่คลอรีน ทำให้โซเดียมมีโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นโซเดียมไอออน  ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออนคือ ส่วนคลอรีนเมื่อรับอิเล็กตรอนแล้วจะมีจำนวนอิเล็กตรอนมากกว่าโปรตอนอยู่ 1 จึงกลายเป็นคลอไรด์ไอออน  ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุอาร์กอนคือ   ดังนั้นเมื่อโลหะโซเดียมทำปฎิกิริยากับแก๊สคลอรีนจะเกิดการให้และรับอิเล็กตรอนระหว่างอะตอมทั้งสองเกิดเป็นโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออน ไอออนทั้งสองมีประจุไฟฟ้าต่างกันจึงยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างประจุไฟฟ้าเกิดเป็นพันธะไอออนิกแรงดึงดูดระหว่างโซเดียมไอออนกับคลอไรด์ไอออนเช่นนี้จะเกิดต่อเนื่องกันไปเป็นโครงผลึกขนาดใหญ่ และเรียกสารประกอบที่เกิดจากพันธะไอออนิกว่า สารประกอบไอออนิก

           การรวมตัวระหว่างธาตุแคลเซียมกับฟลูออรีนก็สามารถอธิบายได้ในทำนองเดียวกันดังนี้ แคลเซียมมีเลขอะตอม 20 จัด   อิเล็กตรอนเป็น   แคลเซียมจึงให้เวเลนซ์อิเล็กตรอน  2  อิเล็กตรอนแก่ฟลูออรีนเกิดเป็นแคลเซียมไอออน    ซึ่งมีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนธาตุอาร์กอนคือ  ส่วนฟลูออรีนมีเลขอะตอม 9 จัดอิเล็กตรอนเป็น  และฟลูออรีน 1  อะตอมจะรับ  1  อิเล็กตรอนเกิดเป็นฟลูออไรด์ไอออน    ซึ่งจัดอิเล็กตรอนเหมือนกับธาตุนีออน แต่แคลเซียม 1 อะตอมให้ 2 อิเล็กตรอนจึงต้องใช้ฟลูออรีน 2 อะตอม เพื่อรับ 2 อิเล็กตรอน เกิดเป็นสารประกอบแคลเซียมฟลูออไรด์ซึ่งแสดงได้ดังต่อไปนี้
 

         เนื่องจากสารประกอบไอออนิกประกอบด้วยไอออนบวกและไอออนลบอยู่รวมกัน การจัดเรียงไอออนบวกและไอออนลบในสารประกอบไอออนิกแต่ละชนิดจะเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร

2.1.2  โครงสร้างของสารประกอบไอออนิก
          สารประกอบไอออนิกที่ปรากฎอยู่ในสถานะของแข็งมีการจัดเรียงตัวของไอออนบวกและไอออนลบเกิดเป็นผลึกที่มีโครงสร้างหลากหลาย จากการศึกษาโซเดียมคลอไรด์  (NaCl)  พบว่า    และ     จัดเรียงสลับกันไปอย่างต่อเนื่องทั้งสามมิติโดยที่     แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย       6  ไอออนและ    แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย     6  ไอออน (ดังรูป 2.1) โซเดียมคลอไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ    กับ    เป็น 1 : 1  สำหรับแคลเซียมฟลูออไรด์   พบว่า    แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย    8  ไอออนและ     แต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วย    4 ไอออน (ดังรูป 2.2 ) แคลเซียมฟลูออไรด์จึงมีอัตราส่วนอย่างต่ำของ    กับ     เป็น 1 : 2  โครงสร้างสารประกอบไอออนิก ชนิดอื่นๆ ก็จะมีไอออนบวกและไอออนลบล้อมรอบซึ่งกันและกันแต่อาจมีจำนวนแตกต่างกัน จะเป็นเท่าใดขึ้นอยู่กับสัดส่วนของจำนวนประจุ ขนาดของไอออนและโครงสร้างผลึก