ความเป็นไอออนิก (Percentage ionic character) MO Memoir : Friday 27 April 2555

เมื่อวันจันทร์ที่ ๒๓ เมษายนที่ผ่านมา สาวน้อยหน้าบานพาเพื่อนคนหนึ่งท่าทางกระวนกระวาย (สาวน้อยจากเมืองสุโขทัย) มาถามคำถามผมเกี่ยวกับปัญหาของหมู่ไฮดรอกซิล (Hydroxyl -OH) ว่าตกลงว่ามันเป็นกรดหรือเป็นเบส

อันที่จริงเรื่องนี้ผมเคยพูดไปบ้างแล้วว่าหมู่ -OH นั้น เวลาที่มันอยู่กับสารอินทรีย์ (เช่นแอลกอฮอล์ กรดอินทรีย์ ฟีนอล) มันแสดงฤทธิ์เป็นกรด คือจะแตกตัวให้โปรตอน (H⁺) ออกมา แต่เวลาที่มันเป็นสารประกอบกับโลหะโดยเฉพาะโลหะ "อัลคาไลน์" และ "อัลคาไลน์เอิร์ธ" มันแสดงฤทธิ์เป็นเบส คือตัวอะตอม O จะดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมโลหะทำให้ตัวมันกลายเป็นไอออนลบ OH^- ที่เราเรียกว่าหมู่ไฮดรอกซี (Hydroxy)

Electronegativity (En) เป็นค่าที่บอกความสามารถของอะตอมในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเข้าหาตัวมันเอง เวลาที่อะตอมสองอะตอมที่มีค่า En ต่างกันมาสร้างพันธะทางเคมีเข้าด้วยกัน อิเล็กตรอนที่เป็นตัวสร้างพันธะนั้นก็จะเคลื่อนที่ไปมาระหว่างอะตอมทั้งสอง แต่อิเล็กตรอนที่เป็นตัวสร้างพันธะนั้นไม่จำเป็นต้องกระจายตัวอยู่ระหว่างอะตอมทั้งสองเป็นจำนวนที่เท่า ๆ กัน โดยการกระจายตัวของอิเล็กตรอน (ที่เป็นตัวสร้างพันธะนั้น) ที่อะตอมที่มีค่า En สูงกว่าจะมากกว่าที่อะตอมที่มีค่า En ต่ำกว่า (กล่าวคือไปใช้เวลาอยู่ที่อะตอมที่มีค่า En มากกว่าเป็นเวลานานกว่าอะตอมที่มีค่า En ต่ำกว่า)

รูปที่ ๑ ตารางแสดงค่า Electronegativity ของธาตุต่าง ๆ โดยใช้สเกลของ Linus Pauling

(รูปจาก http://www.standnes.no/chemix/periodictable/electronegativity-chart.htm)

วิธีคำนวณค่า En นั้นมีหลายวิธี แต่ที่รู้สึกว่าจะมีการใช้กันมากที่สุดคือสเกลของ Linus Pauling ที่ผมเอามาแสดงในรูปที่ ๑ ในหน้าที่แล้ว

ถึงตรงนี้ต้องขอเตือนเอาไว้ก่อนนะว่าผมเองก็ไม่เคยเรียนวิชาอนินทรีย์เคมีแบบเป็นทางการ เรียนมาแบบอ่านเอาเองหรือไม่ก็แบบ "ครูพักลักจำ"

ตอนที่เราเรียนพันธะทางเคมีนั้น เราจะเรียนว่ามันมีอยู่ ๒ แบบคือพันธะโควาเลนซ์ (covalent bond) และพันธะไอออนิก (ionic bond)

พันธะโควาเลนซ์นั้นเป็นพันธะที่อะตอมสองอะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน ส่วนพันธะไอออนิกนั้นเป็นพันธะที่เกิดจากการที่อะตอมหนึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนของมันเองไปให้อีกอะตอมหนึ่ง ทำให้อะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอนมีประจุบวกกลายเป็นไอออนบวก และอะตอมที่รับอิเล็กตรอนมีประจุลบกลายเป็นไอออนลบ และยึดเหนี่ยวเข้าด้วยกันด้วยแรงดึงดูดทางไฟฟ้า

ที่เรียนมานั้นก็ไม่ผิดหรอก เพียงแต่ว่าเรามักจะถูกสอนจนทำให้เรามองกันว่าพันธะโควาเลนซ์กับพันธะไอออนิกนั้น มันเป็นคนละเรื่องกันและแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ซึ่งตรงนี้มันทำให้เกิดปัญหาในการทำความเข้าใจในหลาย ๆ เรื่อง

ถ้าเราปรับมุมมองสักนิด โดยพิจารณาว่าอะตอมของแต่ละธาตุนั้นต่างมีความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่นเข้าหาตัวมันเอง ดังนั้นเมื่ออะตอมของธาตุสองธาตุเข้ามาสร้างพันธะทางเคมีเข้าด้วยกัน อิเล็กตรอนที่เป็นตัวสร้างพันธะก็จะมีการเคลื่อนย้ายไปมาระหว่างอะตอมทั้งสอง ส่วนจะไปอยู่ที่อะตอมไหนนานกว่ากันนั้นขึ้นอยู่กับค่า En ของธาตุนั้น ถ้าธาตุสองธาตุมีค่า En ใกล้เคียงกัน เวลาที่อิเล็กตรอนตัวที่สร้างพันธะอยู่กับอะตอมใดอะตอมหนึ่งจะเป็นเวลาที่ใกล้เคียงกัน แต่ถ้าธาตุสองธาตุนั้นมีค่า En แตกต่างกันมาก อิเล็กตรอนตัวที่สร้างพันธะก็จะใช้เวลาส่วนใหญ่อยู่ที่อะตอมที่มีค่า En สูง และใช้เวลาเพียงส่วนน้อยอยู่ที่อะตอมที่มีค่า En ต่ำกว่า

ดังนั้นถ้ามองตามมุมมองนี้ ความเป็นไอออนิก 100% ก็จะไม่มี

Linus Pauling ได้ให้สมการสำหรับคำนวณความเป็นไอออนิกของพันธะทางเคมีระหว่างอะตอมสองอะตอม หรือที่เรียกว่า % ionic character โดยใช้ค่า En (ตามนิยามของ Pauling) ดังนี้

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(X_a - X_b)²]} x 100

เมื่อ X_a และ X_b คือค่า En ของธาตุแต่ละธาตุที่มาสร้างพันธะเข้าด้วยกัน

ถ้าว่ากันตามนิยามนี้พันธะใดที่มีค่า % ionic character น้อยกว่า 50% ก็จะถือว่าเป็นพันธะโควาเลนซ์ และพันธะใดที่มีค่า % ionic character มากกว่า 50% ก็จะถือว่าเป็นพันธะไอออนิก 

 

แต่พอเอาเข้าจริง ๆ แล้วจะพบว่าพวกที่มีค่า % ionic character อยู่ประมาณช่วงกลาง ๆ (เอาเป็นว่าสักประมาณ 40% - 60%) อาจมองได้ว่าเป็นได้ทั้งพันธะไอออนิกหรือพันธะโควาเลนซ์ก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าสารประกอบนั้นอยู่ในสภาพแวดล้อมอย่างไร

ตัวอย่างเช่น

พันธะระหว่างอะตอม Na (En = 0.93) กับ Cl (En = 3.16)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.16 - 0.93)²]} x 100 = 71.15%

พันธะระหว่างอะตอม C (En = 2.55) กับ Cl (En = 3.16)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.16 - 2.55)²]} x 100 = 8.88%

พันธะระหว่างอะตอม Ti (En = 1.54) กับ Cl (En = 3.16)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.16 - 1.54)²]} x 100 = 48.11%

พันธะระหว่างอะตอม Al (En = 1.61) กับ Cl (En = 3.16)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.16 - 1.61)²]} x 100 = 54.85%

พันธะระหว่างอะตอม Cu (En = 1.90) กับ Cl (En = 3.16)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.16 - 1.90)²]} x 100 = 32.76%

จากค่าที่คำนวณได้จะเห็นว่าพันธะระหว่าง Na กับ Cl จะเป็นมีความเป็นพันธะไอออนิกที่โดยเด่น ในขณะที่พันธะระหว่าง C กับ Cl จะเป็นพันธะโควาเลนซ์ โดยมีพันธะระหว่าง Cu กับ Cl มีความเป็นโควาเลนซ์ที่เด่นรองลงมา

ส่วนพันธะระหว่าง Ti กับ Cl (เช่นใน TiCl₄) ที่มีค่า % ionic character 48.11% และพันธะระหว่าง Al กับ Cl (เช่นใน AlCl₃) ที่มีค่า % ionic character 54.85% นั้นบ่อยครั้งที่เรามองว่าสารประกอบดังกล่าวเป็นสารประกอบโควาเลนซ์ และก็มีเหมือนกันในบางกรณีที่ต้องมองเป็นสารประกอบไอออนิก

ทีนี้ลองพิจารณาพันธะระหว่าง Si กับ O และ Al กับ O บ้างว่าเป็นอย่างไร

พันธะระหว่างอะตอม Si (En = 1.90) กับ O (En = 3.44) 

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.44 - 1.90)²]} x 100 = 44.73%

พันธะระหว่างอะตอม Al (En = 1.61) กับ O (En = 3.44)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.44 - 1.61)²]} x 100 = 56.71%

จะเห็นว่าพันธะระหว่าง Si กับ O นั้นและพันธะระหว่าง Al กับ O นั้นต่างก็อยู่ในบริเวณที่อาจมองได้ว่าเป็นทั้งโควาเลนซ์และไอออนิก โดยพันธะระหว่าง Si กับ O นั้นจะมีความเป็นโควาเลนซ์มากกว่าพันธะระหว่าง Al กับ O

ทีนี้ลองดูพันธะระหว่าง H กับ O ดูบ้าง

พันธะระหว่างอะตอม H (En = 2.20) กับ O (En = 3.44)

% ionic character = {1- exp[-(0.25)(3.44 - 2.20)²]} x 100 = 31.91%

จะเห็นว่าพันธะระหว่าง H กับ O มีความเป็นไอออนิกต่ำกว่ากว่าพันธะระหว่าง Al กับ O หรือ Si กับ O เสียอีก

ที่นี้ถ้าเราลองพิจารณาโครงสร้าง Si-O-H กับ Al-O-H 

 

สารประกอบไอออนิกนั้นจะแตกตัวเป็นไอออนเมื่อของเหลวที่มาล้อมรอบมีความเป็นขั้วที่แรงมากพอที่จะกระชากเอาไอออนของผลึกออกมา การละลายของสารประกอบไอออนิกในตัวทำละลายมีขั้วนั้นตัวทำละลายมีขั้วจะดึงเอาไอออนบวกและลบออกจากกันและหุ้มไอออนเหล่านั้นเอาไว้ ถ้าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างไอออนบวกและไอออนลบนั้นสูงกว่าแรงระหว่างตัวทำละลายกับไอออน สารประกอบไอออนิกนั้นก็จะไม่ละลายในตัวทำละลายนั้น

ส่วนการละลายของโมเลกุลโควาเลนซ์มีขั้วนั้นจะเป็นการที่ตัวทำละลายมีขั้วเข้าไปล้อมรอบโมเลกุลโควาเลนซ์มีขั้วนั้น และแยกโมเลกุลโควาเลนซ์มีขั้วนั้นออกจากโมเลกุลโควาเลนซ์มีขั้วที่อยู่เคียงข้างกัน

ส่วนหมู่ O-H นั้นจะจ่ายโปรตอนเมื่อมีเบสที่แรงมากพอมาดึง

ตรงนี้ต้องทำความเข้าใจนิดนึงว่า ตัวทำละลายที่มีขั้วแรงกับตัวทำละลายที่เป็นเบสแรงนั้นเป็นคนละเรื่องกัน

H₂O เป็นตัวทำละลายที่มีความเป็นขั้วแรง (มันมีพันธะไฮโดรเจน) แต่มันไม่ได้เป็นเบสที่แรง NH₃ (เหลว) เป็นตัวทำละลายที่เป็นเบสที่แรง แต่มันไม่ได้เป็นตัวทำละลายที่มีขั้วแรง (H₂O มีน้ำหนักโมเลกุล 18 มีจุดเดือด 100ºC ส่วน NH₃ มีน้ำหนักโมเลกุล 17 มีจุดเดือด -33.34ºC ทั้งนี้เพราะโมเลกุลของ มีความเป็นขั้วที่แรงกว่า โมเลกุลH₂O จึงยึดเหนี่ยวกันแน่นหนากว่าโมเลกุล NH₃)

O-H ที่อยู่บนพื้นผิว Al₂O₃ เรียกว่าเป็น surface hydroxyl ไม่ใช่ aluminium hydroxide - Al(OH)₃

Al(OH)₃ เป็นสารประกอบ amphoteric คือแสดงได้ว่าเป็นทั้งกรดและเบส การเป็นได้ทั้งกรดและเบสไม่ได้หมายความว่ามันแสดงความเป็นกรดและเบสพร้อม ๆ กัน แต่หมายความว่าถ้ามันเจอกับกรดมันจะทำตัวเหมือนกับว่ามันเป็นเบส คือจะสะเทินกรดด้วยการปลดปล่อย OH^- ออกมา และถ้าเจอกับเบสมันจะสะเทินเบสด้วยการจับ OH^- เข้าไปกลายเป็น Al(OH)₄^-

ทีนี้ถ้าเราเอา Si-O-H มาแช่น้ำ หมู่นี้ก็ไม่น่าจะแตกตัวให้ OH^- ออกมา เพราะพันธะ Si-O นั้นเน้นไปทางเป็นโควาเลนซ์ ส่วนพันธะ O-H นั้นก็มีความเป็นโควาเลนซ์ที่สูงกว่าอีก แต่ถ้าเราให้ Si-O-H พบกับเบส เบสนั้นก็จะสามารถกระชาก H⁺ ออกมาได้

คำถามของสาวน้อยจากเมืองสุโขทัยเรื่องปฏิกิริยาระหว่างหมู่ Si-O-H กับสารละลาย CuCl₂ นั้นผมไม่แน่ใจว่าคำตอบของเขาจะเกี่ยวข้องกับความเป็นกรด-เบสอย่างที่เขามาถามหรือไม่ เพราะหมู่ Si-O-H (Silanol - ไซลานอล) สามารถเกิดปฏิกิริยา dehydration ได้ง่ายในภาวะที่มีกรด เบส หรือแม้แต่เพียงความร้อน 

 

ส่วน CuCl₂ นั้นเมื่อละลายน้ำจะกลายเป็นไอออนเชิงซ้อน [Cu(H₂O)₆]²⁺ และ [CuCl_2+x]^{x− (๑)}

สมมุติฐาน/แนวพิจารณาที่ผมพอจะตั้งได้ตามข้อมูลที่จำกัดที่เขาสามารถให้ผมได้คือ

๑. พอเติม SiO₂ เข้าไปใน Al₂O₃ ก็จะเกิดหมู่ไซลานอลขึ้น ดังนั้นเป็นไปได้ไหมที่การแทนที่ด้วยไอออนลบ [CuCl_2+x]^x− ของสารละลาย CuCl₂ เกิดที่หมู่ Si-OH ได้ดีกว่าการเกิดที่หมู่ Al-OH และ OH^- ที่หลุดออกมาจากหมู่ Si-OH ที่ถูกแทนที่ด้วยไอออนลบ [CuCl_2+x]^x− นั้นแทนที่จะไปรับ H⁺ จากหมู่ Si-OH ที่อยู่เคียงข้าง กลับไปจับกับไอออนบวก [Cu(H₂O)₆]²⁺ ที่จับกับหมู่ Si-OH ตรงอะตอม O ของหมู่ Si-OH อีกหมู่หนึ่งที่อยู่เคียงข้าง และทำให้เกิดการตกตะกอน copper oxide ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ตัวรองรับเป็นออกไซด์ผสมระหว่าง SiO₂ + Al₂O₃ แตกต่างไปจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ Al₂O₃ เพียงอย่างเดียวเป็นตัวรองรับ

๒. CuCl₂ เมื่อละลายน้ำแล้วจะกลายเป็นไอออนอะไรนั้นยังขึ้นอยู่กับว่าน้ำที่ใช้เป็นตัวทำละลายนั้นมีอะไรอยู่ด้วย เช่นในภาวะที่มีกรดเกลือ HCl หรือแหล่งให้ Cl^- CuCl₂ จะกลายเป็นไอออนลบ CuCl₃^- และ CuCl₄^2-

๓. Si-OH (ไซลานอล) นั้นอาจมองได้ว่าเป็นพวกที่อุปมาเหมือนกับ C-OH (แอลกอฮอล์) ที่ C ในแอลกอฮอล์ถูกแทนที่ด้วย Si (ทำนองเดียวกับพวกไซเลนที่คล้ายคลึงกับอัลเคน) ดังนั้นอาจใช้แนวทางปฏิกิริยาของหมู่ไฮดรอกซิลในหนังสือเคมีอินทรีย์เรื่องแอลกอฮอล์มาช่วยพิจารณาว่ามันสามารถทำปฏิกิริยาอะไรได้บ้าง เพียงแต่มันอาจมีความว่องไวแตกต่างไปจากแอลกอฮอล์บ้าง

๔. หมู่ -OH ของแอลกอฮอล์ (C-OH) นั้นสามารถถูกแทนที่ด้วยเฮไลด์ได้ (ดูปฏิกิริยา Lucas test เป็นตัวอย่าง ลองไปค้นดูตำราเคมีอินทรีย์เอาเองก็แล้วกัน) กลายเป็นสารโครงสร้าง C-Cl และปลดปล่อย -OH ออกมา ถ้าพิจารณาตามนี้ก็น่าจะลองตั้งสมมุติฐานดูว่าในภาวะการทำปฏิกิริยานั้น สารละลาย CuCl₂ ที่เตรียมขึ้นมานั้นอาจทำให้ Cu อยู่ในรูปของ CuCl₃^- และ CuCl₄^2- ซึ่งสามารถแลกเปลี่ยน Cl กับ OH ของหมู่ Si-OH ได้ ทำให้เกิดสารประกอบ Cu(OH)₂ ตกตะกอนออกมากระจายตัวตามตำแหน่งพื้นผิวที่มีหมู่ Si-OH อยู่ และเนื่องจากหมู่ Si-OH ของ SiO₂ ทำปฏิกิริยาไม่เหมือนกับหมู่ Al-OH ของ Al₂O₃ จึงทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ได้นั้นมีความแตกต่างกัน

ผมฝากทฤษฎีไว้เท่านี้ก่อนก็แล้วกัน ส่วนที่ถูกต้องจะเป็นอย่างไรนั้นคงต้องให้สาวน้อยจากเมืองสุโขทัยที่มีรายละเอียดการทดลองมากกว่านี้ลองไปพิจารณาดูเอาเองก็แล้วกัน

หมายเหตุ

^(๑) http://en.wikipedia.org/wiki/Copper_%28II%29_chloride