โลหะเป็นธาตุที่มีอิเล็กตรอนระดับนอกจำนวนน้อย และมีพลังงานการแตกตัวเป็นไอออนต่ำ มีจุดหลอมเหลวสูง นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี สามารถทุบให้เป็นแผ่นบางหรือดึงให้เป็นเส้นได้ โลหะมีเงาและทึบแสง สมบัติเหล่านี้แสดงว่าอะตอมโลหะไม่ได้ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิก หรือพันธะโคเวเลนต์ หรือแรงแวนเดอร์วาล เหตุผลเพราะว่าสารที่มีพันธะโคเวเลนต์ ไม่นำไฟฟ้า เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ไปได้ และจะทำให้เป็นแผ่นหรือดึงให้เป็นเส้นก็ไม่ได้ เพราะพันธะโคเวเลนต์มีทิศทางเฉพาะย่อมขัดขืนต่อการเปลี่ยนรูป พันธะไอออนิกก็เช่นกัน แม้เป็นพันธะที่ไม่มีทิศทาง ถ้าใช้แรงทุบตีให้เป็นแผ่นก็จะแตกหักออกจากกัน ส่วนแรงแวนเดอร์วาลเป็นแรงที่อ่อนมากแต่โลหะเป็นวัสดุที่แข็งแรงย่อมมีแรงระหว่างอนุภาคสูงมากกว่าแรงแวนเดอร์วาล
จากสมบัติของโลหะดังกล่าวแสดงว่าโลหะมีพันธะที่เป็นแรงดึงดูดระหว่างไอออนบวกที่อยู่เรียงชิดติดกันกับอิเล็กตรอนที่อยู่โดยรอบ คล้ายทะเลอิเล็กตรอนที่เคลื่อนไหลอยู่รอบ ๆ ไอออนบวกจึงเป็นเหตุทำให้โลหะนำไฟฟ้าได้ดี ตีให้เป็นแผ่นหรือดึงให้เป็นเส้นได้ โดยไม่แตกหักดังภาพ
แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล (Intermolecular Forces)
แรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุล นอกจากอยู่ในรูปของพันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์แล้วยังมีแรงยึดเหนี่ยวที่สำคัญระหว่างอะตอมและระหว่างโมเลกุล คือ แรงแวนเดอร์วาล (van der waal forces) และพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond) แรงดึงดูดทั้งสองนี้เป็นแรงที่อ่อนกว่าแรงจากพันธะไอออนิกและโคเวเลนต์ แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลนี้มีความสำคัญและสามารถใช้อธิบายสมบัติทางเคมีของสารและสมบัติทางกายภาพ เช่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว แรงแวนเดอร์วาลจะเพิ่มมากขึ้นเมื่อจำนวนอิเล็กตรอนและมวลโมเลกุลเพิ่ม แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมีหลายประเภทดังนี้
แรงแวนเดอร์วาล (van der waal forces)
เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลไม่มีขั้วซึ่งเป็นผลมาจากการมีสภาพขั้วขณะหนึ่ง ซึ่งภายในอะตอมหรือโมเลกุลมีกลุ่มอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตลอดเวลา ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสเปลี่ยนแปลงได้ทำให้ชั่วขณะหนึ่ง มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนไม่สม่ำเสมอ เป็นผลทำให้เกิดลักษณะขั้วบวกลบ (สองขั้ว) ขึ้นมาชั่วขณะ นั่นคือ ศูนย์กลางของประจุบวกเคลื่อนที่ไปอยู่คนละที่กับศูนย์กลางของประจุลบ โมเลกุลเหล่านี้จะเหนี่ยวนำโมเลกุลที่อยู่ข้างเคียงให้กลายเป็นโมเลกุลที่มีขั้วขึ้นมาด้วย และมีแรงดึงดูดกันแม้เป็นช่วงระยะเวลาสั้น ๆ แต่เกิดบ่อยครั้ง แรงดึงดูดจึงมีอยู่ตลอดไป นอกจากนี้ขนาดและรูปร่างโมเลกุลก็มีส่วนสำคัญ โมเลกุลขนาดใหญ่และมีรูปร่างยาวจะอยู่ในสภาพมีขั้วง่ายกว่าโมเลกุลที่มีขนาดเล็กและมีรูปร่างเป็นก้อนกลม
แรงดึงดูดระหว่างขั้ว (dipole-dipole interaction)
แรงนี้เกิดจากโมเลกุลที่มีขั้ว เช่น CO, NO, SO2 เมื่อโมเลกุลเหล่านี้เข้ามาใกล้กัน ขั้วบวก (
) ของโมเลกุลจะหันเข้าหาด้านขั้วลบ (
) ของอีกโมเลกุลหนึ่ง ทำให้เกิดแรงดึงดูดขึ้น ซึ่งเป็นแรงดึงดูดที่อ่อน มีความแรงประมาณ 1% ของพันธะไอออนิกหรือพันธะโคเวเลนต์เท่านั้น แรงดึงดูดประเภทนี้ทำให้โมเลกุลที่มีสภาพขั้ว มีจุดเดือดจุดหลอมเหลวสูงกว่าโมเลกุลที่ไม่มีสภาพขั้ว เมื่อมีมวลโมเลกุลใกล้เคียงกัน
พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen bond)
พันธะไฮโดรเจน เป็นพันธะที่เกิดกับโมเลกุลที่ประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน (H) สร้างพันธะโคเวเลนต์กับอะตอมที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูง ซึ่งสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ในพันธะได้ดี ความหนาแน่นอิเล็กตรอนจะไปเข้มข้นอยู่ทางด้านของอะตอมที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูง ทำให้อะตอมไฮโดรเจนมีสภาพไฟฟ้าเป็นบวกมาก จนเกือบกลายเป็นไฮโดรเจนไอออน อะตอมไฮโดรเจนจึงสามารถดึงดูดอะตอมที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูงของโมเลกุลข้างเคียง เกิดเป็นพันธะขึ้น ซึ่งพันธะนี้ทำหน้าที่คล้ายสะพานเชื่อมระหว่างสองอะตอมของสองโมเลกุลนั้น พันธะไฮโดรเจนจัดเป็นแรงระหว่างโมเลกุลที่เป็นแรงดึงดูดทางไฟฟ้าอย่างอ่อนกว่าพันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์แต่แรงกว่าแรงแวนเดอร์วาล และเป็นพันธะที่ยาวกว่าพันธะโคเวเลนต์ เราใช้ขีด —- และ …. แทนพันธะไฮโดรเจน ตัวอย่าง
สารประกอบที่มีพันธะไฮโดรเจนได้แก่ HCl, H2O, HF ฟลูออรีนเป็นธาตุที่มีสภาพไฟฟ้าลบสูงที่สุด ดังนั้นพันธะ H – F ในไฮโดรเจนฟลูออไรด์จึงเป็นพันธะที่อยู่ในสภาพมีขั้วมาก จึงเกิดแรงดึงดูดระหว่างฟลูออรีนกับไฮโดรเจนของอีกโมเลกุลหนึ่ง เกิดเป็นพันธะไฮโดรเจน ดังนี้
โมเลกุลของน้ำ (H2O) เกิดพันธะไฮโดรเจนได้เป็นอย่างดี เนื่องจากออกซิเจนมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว 2 คู่ เช่น
และออกซิเจนเป็นธาตุที่มีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนในพันธะได้ดี จึงมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอมออกซิเจนสูง ในขณะที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบอะตอมไฮโดรเจนมีเบาบางจึงเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำได้ดี
ตัวอย่างของการเกิดพันธะไฮโดรเจน
พันธะไฮโดรเจนมีอิทธิพลต่อสมบัติของสาร เช่น ทำให้สารมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงกว่าที่ควรจะเป็น เช่น H2S มีมวลโมเลกุล 34 มีสถานะเป็นแก๊สที่อุณหภูมิห้อง มีจุดเดือด – 60 องศาเซลเซียส ในขณะที่ H2O ซึ่งมีมวล 18 แต่มีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง มีจุดเดือด 100 องศาเซลเซียส ทั้งนี้เนื่องจากอิทธิพลของพันธะไฮโดรเจนในโมเลกุลของน้ำ นอกจากนี้ พันธะไฮโดรเจนยังมีบทบาทมากในลักษณะโครงสร้างของโปรตีน DNA และ RNA ซึ่งเป็นโมเลกุลของสิ่งมีชีวิต
เลขออกซิเดชัน (Oxidation number)
เลขออกซิเดชัน หมายถึง ตัวเลขที่แสดงจำนวนอิเล็กตรอนในระดับนอกของธาตุที่ใช้ในการสร้างพันธะเคมี เวลาเขียนจะแสดงเครื่องหมายบวกหรือลบกำกับไว้ สำหรับสารประกอบไอออนิก เลขออกซิเดชันของธาตุที่ให้อิเล็กตรอนจะมีเครื่องหมายเป็นบวก และมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้ไป ส่วนธาตุที่รับอิเล็กตรอนเลขออกซิเดชันจะมีเครื่องหมายเป็นลบ และมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่รับมา ตัวอย่างเช่น
NaCl จะได้ว่า Na มีเลขออกซิเดชันเป็น +1
Cl มีเลขออกซิเดชันเป็น -1
CaCl2 จะได้ว่า Ca มีเลขออกซิเดชันเป็น +2
Cl มีเลขออกซิเดชันเป็น -1
สำหรับสารประกอบโคเวเลนต์ที่พันธะประกอบด้วยธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้สูงกับธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้ต่ำ ธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้สูงสามารถดึงอิเล็กตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันในพันธะได้ดีกว่า จะมีเลขออกซิเดชันเป็นลบ และมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ดึงเข้ามา ส่วนธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้ต่ำกว่า จะมีเลขออกซิเดชันเป็นบวก และมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกดึงไป
ตัวอย่างที่ 1 H2O
O มีเลขออกซิเดชัน = – 2
H มีเลขออกซิเดชัน = + 1
สำหรับธาตุหรือสารประกอบโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้เท่ากันจะมีเลขออกซิเดชันเป็นศูนย์ เช่น O2, F2, O3, S8, Cu, Fe
ข้อควรจำ ผลบวกของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดในสารหนึ่งโมเลกุลมีค่าเป็นศูนย์ และผลบวกของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดในไอออนที่มีหลายอะตอมมีค่าเท่ากับประจุของไอออนนั้น (การคิดเลขออกซิเดชันจะคิดต่อ 1 อะตอมของแต่ละธาตุ)
ตัวอย่างที่ 2 CH3Cl
C มีเลขออกซิเดชัน = – 2
Cl มีเลขออกซิเดชัน = – 1
H มีเลขออกซิเดชัน = + 1 (มี 3 อะตอม จะมีค่า = +3)
ผลรวมของเลขออกซิเดชันของ CH3Cl = 0
ตัวอย่างที่ 3 MnO4–
เนื่องจากในการสร้างพันธะเคมีของ O จะใช้ 2 อิเล็กตรอน ดังนั้น O 1 อะตอมมีเลขออกซิเดชัน – 2 ดังนั้นในไอออน MnO4– จะได้ว่า O ทั้งหมด 4 อะตอมมีเลขออกซิเดชันรวม = – 8
Mn จะมีเลขออกซิเดชัน คือ = + 7
การหาเลขออกซิเดชันของธาตุในสารประกอบพิจารณาง่าย ๆ ดังตัวอย่าง
H2SO4 H 1 อะตอมมีเลขออกซิเดชัน = +1
H 2 อะตอมมีเลขออกซิเดชัน = +2
O 1 อะตอมมีเลขออกซิเดชัน = -2
O 4 อะตอมมีเลขออกซิเดชัน = -8
ดังนั้น S 1 อะตอมจะมีเลขออกซิเดชัน = 8 – 2 = 6 แต่ผลรวมของเลขออกซิเดชันของธาตุทุกอะตอมใน 1 โมเลกุลของสารมีค่า 0 ดังนั้น S มีเลขออกซิเดชัน = + 6
สารประกอบ และสมบัติของสารประกอบ
- การเกิดสารประกอบ
สารประกอบ คือ สารที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุตั้งแต่สองธาตุขึ้นไป โดยเกิดการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน เพื่อให้เป็นไปตามกฎออกเตต (ให้อิเล็กตรอนวงนอกสุดครบแปด) นั่นคือ สารประกอบเกิดจากพันธะเคมีซึ่งอาจเกิดจากพันธะไอออนิก หรือ พันธะโคเวเลนต์ก็ได้
สมบัติของสารประกอบไอออนิก
- มีขั้ว สารประกอบไอออนิกไม่เกิดเป็นโมเลกุลเดี่ยว แต่เป็นของแข็งประกอบด้วยไอออนจำนวนมากยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางไฟฟ้า
- นำไฟฟ้าได้ เมื่อใส่สารประกอบไอออนิกลงในน้ำ ไอออนจะแยกออกจากกัน ทำให้สารละลายนำไฟฟ้าได้ และสารประกอบไอออนิกที่หลอมเหลวก็นำไฟฟ้าได้ เพราะเมื่อหลอมเหลวไอออนจะแยกกันเป็นอิสระ
- มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง เพราะสารประกอบไอออนิกต้องใช้พลังงานมากในการทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออน เพื่อจะให้กลายเป็นของเหลว หรือกลายเป็นไอ
- การละลาย สารประกอบไอออนิกละลายได้ในน้ำหรือละลายในตัวทำละลายที่มีสภาพขั้วสูงมาก
- การเกิดปฏิกิริยาไอออนิก เป็นปฏิกิริยาระหว่างไอออน เพราะสารประกอบไอออนิกเมื่อเป็นสารละลาย ไอออนเป็นอิสระ จึงเกิดปฏิกิริยาทันที
- สารประกอบไอออนิกเกิดจากไอออนประจุตรงกันข้าม รอบ ๆ ไอออน จะมีสนามไฟฟ้าจึงไม่แสดงทิศทางพันธะไอออนิก
สมบัติของสารประกอบโคเวเลนต์
- แรงดึงดูดภายในโมเลกุลมีน้อยทำให้มีสถานะเป็นแก๊ส ของเหลว และเป็นของแข็งที่อ่อนนุ่มที่อุณหภูมิปกติ
- ไม่ละลายน้ำ
- มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ เพราะใช้พลังงานน้อยในการทำลายแรงยึดเหนี่ยวภายในโมเลกุล
- ไม่นำไฟฟ้า
- ละลายในเบนซีน และสารอินทรีย์หรือตัวทำละลายที่ไม่มีขั้ว
เนื่องจากสารประกอบมีอยู่มากมาย จึงจำเป็นต้องมีกฎเกณฑ์ในการเขียนสูตร และการเรียกชื่อสารประกอบ เพื่อให้สะดวกแก่การจดจำ และง่ายต่อการเรียนการสอน ทั้งจะได้มีแบบแผนหลักเกณฑ์ที่เหมือนกัน จึงมีหลักดังนี้
การเขียนสูตรสารประกอบ
สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของธาตุ หรือหมู่ธาตุ ตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไป ซึ่งอาจจะอยู่ในลักษณะของไอออน หรืออะตอมก็ได้ ในการเขียนสูตรจึงมีกฎเกณฑ์ดังนี้
- โลหะ กับอโลหะ ให้เขียนสัญลักษณ์โลหะก่อน แล้วเขียนอโลหะตามหลัง เช่น
K + Cl 
KCl
Ba + O Ba
- ถ้าเป็นไอออน กับไอออน ต้องเขียนไอออนบวกก่อน แล้วตามด้วยไอออนลบ เช่น
NH4 + กับ SO4 – เขียนได้เป็น ( NH4)2SO4
การเรียกชื่อสารประกอบ
การเรียกชื่อสารประกอบใช้หลักการตามระบบ IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ซึ่งมีข้อตกลงดังนี้
- สารประกอบระหว่างโลหะกับอโลหะ ให้เรียกชื่อโลหะธาตุแรก หรือไอออนบวก เต็ม ๆ แล้วตามด้วยอโลหะ หรือไอออนลบ แล้วเปลี่ยนท้ายเสียงเป็นไอด์ (ide) เช่น
Na (Sodium) กับ Cl (Chlorine) เขียนสูตร NaCl อ่านเป็น Sodium chloride
Ba (Barium) กับ S (Sulfur) เขียนสูตร BaS อ่านเป็น Barium sulfide
K (Potassium) กับ I (Iodine) เขียนสูตร KI อ่านเป็น Potassium iodide
บางธาตุมีการตัด / เติม พยางค์ท้ายก่อนเปลี่ยนท้ายเสียงเป็นไอด์ เช่น
H (Hydrogen) เป็น Hydride
N (Nitrogen) เป็น Nitride
O (Oxygen) เป็น Oxide
P (Phosphorus) เป็น Phosphide
2. สารประกอบระหว่างอโลหะ กับอโลหะ สารประกอบชนิดนี้แม้จะมีองค์ประกอบเหมือนกัน แต่บางทีมีสารได้มากกว่า 1 สาร เช่น SO2 กับ SO3 หรือ CO กับ CO2 การเรียกชื่อต้องบอกจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุ เป็นภาษากรีก คือ 1 (mono), 2 (di), 3 (tri), 4 (treta), 5 (penta), 6 (hexa), 7 (hepta), 8 (octa), 9 (nona),10 (deca) ยกเว้นธาตุแรกมี 1 อะตอมไม่ต้องบอก เช่น
SO2 อ่านว่า Sulfur dioxide
SO3 อ่านว่า Sulfur trioxide
CO อ่านว่า Cabon monoxide
CO2 อ่านว่า Cabon dioxide
P2 O5 อ่านว่า Diphosphorus pentaoxide
- สารประกอบที่มีไอออนบวก กับไอออนลบที่ไม่ใช่อะตอมเดี่ยว แต่เป็นไอออนที่ประกอบด้วยหมู่อะตอม เช่น Sulphateion SO42- มี S เป็นอะตอมกลาง ตามข้อตกลงให้ถือว่าไอออนที่มีลักษณะเช่นนี้ เป็นไอออนเชิงซ้อน เรียกชื่อแบบเดียวกับสารเชิงซ้อน แต่อนุโลมให้ใช้ชื่อสามัญ ถ้ามีธาตุอื่นมารวมตัวกับไอออนนี้ ก็เรียกธาตุนั้นนำหน้า เช่น
ไอออน
| ชื่อตามระบบ IUPAC |
ชื่อสามัญ
|
| SO42- | Tetraoxosulphate ion | Sulphate ion |
| NO3 | Trioxide nitrate(V) ion | Nitrate ion |
| Na2SO4 | Sodium tetraoxidesulphate | Sodium sulphate |
| NaNO3 | Sodium trioxonitrate | Sodium nitrate |
- สารประกอบที่ไอออนบวกมีค่าเลขออกซิเดชันหลายค่า การเรียกชื่อสารประกอบต้องระบุเลขออกซิเดชันด้วย โดยเขียนเลขโรมันไว้หลังชื่อธาตุนั้น เช่น
FeCl2 อ่านได้ว่า Iron (II) chloride
MnO2 อ่านได้ว่า Manganese (IV) oxide
สารประกอบเชิงซ้อน
สารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนเชิงซ้อน มักจะมีโลหะสองชนิด ซึ่งในสารประกอบนั้นจะมีไอออน 2 ชนิดคือ ไอออนบวก (+) และไอออนลบ (-) และไอออนที่ประกอบด้วยธาตุตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไปนี้เรียกว่า ไอออนเชิงซ้อนอาจเป็นไอออนบวกหรือไอออนลบก็ได้ พวกไอออนเชิงซ้อนจะมีธาตุแทรนซิชันเป็นอะตอมกลาง และมีไอออน อะตอม หรือโมเลกุลอื่น มาล้อมรอบ โดยเรียกสิ่งที่ล้อมรอบว่า ลิแกนด์ ส่วนมากแล้วลิแกนด์จะยึดเหนี่ยวกับธาตุแทรนซิชันด้วยพันธะโคเวเลนต์ หรือโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์ หลักการอ่านชื่อสารประกอบเชิงซ้อนมีดังนี้
- ถ้าไอออนเชิงซ้อนเป็นไอออนบวก ให้อ่านลิแกนด์นำหน้า แล้วตามด้วยเลขอะตอมกลาง โดยบอกเลขออกซิเดชันด้วย จากนั้นอ่านไอออนลบ
- ถ้าไอออนเชิงซ้อนเป็นลบ อ่านลิแกนด์นำหน้า จากนั้น อ่านอะตอมกลางลงท้ายด้วย – ate โดยบ่งบอกเลขออกซิเดชันของธาตุด้วย
ลิแกนด์บางตัวที่ควรทราบ
Cl– อ่านว่า Chloro
Br– อ่านว่า Bromo
I– อ่านว่า Iodo
CO32- อ่านว่า Carbonate
H2O อ่านว่า Aqua
CN– อ่านว่า Cyano
NO2– อ่านว่า Nitro
NH3 อ่านว่า Ammine
ตัวอย่างการอ่านชื่อสารประกอบเชิงซ้อน
Na[FeF6] อ่านว่า Sodiumhexafluoroferrate (III)
[ K3Fe(CN)6 ] อ่านว่า Potassiumhexacyanoferrate (III)
[ ( Cu(H2O)4) SO4 ] อ่านว่า Tetraaquacopper (II) sulphate
[ ( Zn(NH3)4 ]2+ อ่านว่า Tetraamminezinc (II ) ion
[ ( Ni(CN)4 ]2 – อ่านว่า Tetracyanonickelate (II) ion
