พันธะเคมี

   พันธะเคมีคือ แรงยึดเหนี่ยวที่อยู่ระหว่างอะตอมซึ่งทำให้อะตอมต่าง ๆ เข้ามาอยู่รวมกันเป็นโมเลกุลได้ การสร้างพันธะเคมีของอะตอมเกิดขึ้นได้ เนื่องจากอะตอมต้องการจะปรับตัวให้ตนเองมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนครบ 8 หรือให้ใกล้เคียงกับการครบ 8 ให้มากที่สุด (ตามกฎออกเตต) ดังนั้นจึงต้องอาศัยอะตอมอื่น ๆ มาเป็นตัวช่วยให้อิเล็กตรอนเข้ามาเสริม หรือเป็นตัวรับเอาอิเล็กตรอนออกไป และจากความพยายามในการปรับตัวของอะตอมเช่นนี้เองที่ทำให้อะตอมมีการสร้างพันธะเคมีกับอะตอมอื่น ๆ

เรามาลองทำความเข้าใจในการเกิดพันธะเคมีของอะตอม จากตัวอย่างการเกิดพันธะเคมีในโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจน (H2) ดังต่อไปนี้

1. เมื่ออะตอมของธาตุไฮโดรเจน (H) อยู่อย่างเป็นอิสระ อะตอมของธาตุไฮโดรเจนจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่เพียง 1 อนุภาค ซึ่งเป็นจำนวนอิเล็กตรอนที่ยังไม่ครบ 2 ตามกฎออกเตต (สำหรับธาตุไฮโดรเจนต้องมี 2 อนุภาค จึงครบตามกฎของออกเตต) ดังนั้นอะตอมของธาตุไฮโดรเจนจึงต้องเข้าหาอะตอมอื่น ๆ เพื่อที่จะได้รับอิเล็กตรอนเข้ามาเพิ่มให้ครบ 2 อนุภาค

2. เมื่ออะตอมของธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอม เคลื่อนที่เข้ามาอยู่ใกล้กันในระยะพอเหมาะ อิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจะถูกนิวเคลียสของอะตอมอีกอะตอมหนึ่งพยายามดึงดูดเอาไว้ ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ช้าลง และเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้ช้าลง จะทำให้ระดับพลังงานภายในโมเลกุลของอะตอมไฮโดรเจนลดต่ำลง อะตอมของไฮโดรเจนจึงมีความเสถียรมากขึ้น และแรงดึงดูดที่เกิดจากอะตอมของไฮโดรเจนดึงดูดอิเล็กตรอนนี้เอง ที่ทำให้อะตอของธาตุสามารถยึดเหนี่ยวกันได้

3. ระยะห่างระหว่างอะตอมไฮโดรเจนจะมีค่าคงที่ใกล้เคียงกันเสมอ เนื่องจากถ้าอะตอมของไฮโดรเจนทั้ง 2 เข้าใกล้กันมากเกินไป จะทำให้เกิดแรงผลักระหว่างนิวเคลียสของทั้งสองอะตอมมากเกินไป และถ้าหากอะตอมอยู่ห่างกันมากกว่านี้ แรงดึงดูดที่อะตอมมีต่อกันก็จะน้อยเกินไป จนไม่สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนของอีกอะตอมได้

การสร้างพันธะเคมีของอะตอมสามารถเกิดขึ้นได้ในหลายลักษณะ โดยในแต่ละลักษณะจะมีสมบัติและความแข็งแรงของพันธะเคมีชนิดใดต่อกันนั้น จะขึ้นอยู่กับจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนและสมบัติของแต่ละอะตอมที่เข้ามาสร้างพันธะเคมีต่อกันเป็นสำคัญ โดยเราสามารถจำแนกพันธะเคมีได้เป็น 3 ชนิด คือ พันธะโคเวเลนต์ พันธะไอออนิกH และพันธะโลหะ

ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสี

            ครึ่งชีวิตของธาตุ (half life) หมายถึง ระยะเวลาที่สารสลายตัวไปจนเหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิมใช้สัญลักษณ์เป็น t1/2 นิวเคลียสของธาตุกัมมันตรังสีที่ไม่เสถียร จะสลายตัวและแผ่รังสีได้เองตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือความดัน อัตราการสลายตัว เป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนอนุภาคในธาตุกัมมันตรังสีนั้น ปริมาณการสลายตัวจะบอกเป็นครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป

ตัวอย่างเช่น C-14 มีครึ่งชีวิต 5730 ปี หมายความว่า ถ้ามี C-14 1 กรัม เมื่อเวลาผ่านไป 5730 ปี จะเหลือ C-14 อยู่ 0.5 กรัม และเมื่อเวลาผ่านไปอีก 5730 ปี จะเหลืออยู่ 0.25 กรัม เป็นดังนี้ไปเรื่อยๆ กล่าวได้ว่าทุกๆ 5730 ปี จะเหลือ C-14 เพียงครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม
               ครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทป และสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ ตัวย่างครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสีบางชนิด ครึ่งชีวิตของธาตุกัมมันตรังสีชนิดต่างๆมีค่าไม่เท่ากัน เช่น เทคนีเทียม -99 มีครึ่งชีวิต 6 ชั่วโมงเท่านั้น ส่วนยูเรเนียม -235 มีครึ่งชีวิต 4.5 ล้านปี
               ครึ่งชีวิต (half life) ของสารกัมมันตรังสี สามารถนำไปใช้หาอายุอายุสัมบูรณ์ (Absolute Age) เป็นอายุของหินหรือซากดึกดำบรรพ์ ที่สามารถบอกจำนวนปีที่ค่อนข้างแน่นอน การหาอายุสัมบูรณ์ใช้วิธีคำนวณจากครึ่งชีวิต ของธาตุกัมมันตรังสีที่มีอยู่ในหิน หรือซากดึกดำบรรพ์ที่ต้องการศึกษา ธาตุกัมมันตรังสีที่นิยมนำมาหาอายุสัมบูรณ์ได้แก่ ธาตุคาร์บอน – 14 ธาตุโพแทศเซียม – 40 ธตาเรเดียม – 226 และธาตุยูเรเนียม – 238 เป็นต้น การหาอายุสัมบูรณ์มักใช้กับหินที่มีอายุมากเป็นแสนล้านปี เช่น หินแกรนิตบริเวณฝั่งตะวันตกของเกาะภูเก็ต ซึ่งเคยเป็นหินต้นกำเนิดแร่ดีบุกมีอายุสัมบูรณ์ประมาณ 100 ล้านปี ส่วนตะกอนและซากดึกดำบรรพ์ที่มีอายุน้อยกว่า 50,000 ปี มักจะใช้วิธีกัมมันตภาพรังสีคาร์บอน – 14 เช่น ซากหอยนางรมที่วัดเจดีย์หอย อำเภอลาดหลุมแก้ว จังหวัดปทุมธานี มีอายุประมาณ 5,500 ปีของวัตถุโบราณ
                    นอกจากนั้นยังใช้คำนวณอายุของโลก พบว่าว่าประมาณครึ่งหนึ่งของยูเรเนียมที่มีมาแต่แรกเริ่มได้สลายตัวเป็นตะกั่วไปแล้ว ดังนั้นอายุของโลกคือประมาณครึ่งชีวิตของยูเรเนียม หรือราว 4,500 ล้านปี

รังสีแกมมา

รังสีแกมมา (อังกฤษ: Gamma radiation หรือ Gamma ray) มีสัญลักษณ์เป็นตัวอักษรกรีกว่า γ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ที่มีช่วงความยาวคลื่นสั้นกว่ารังสีเอกซ์ (X-ray) โดยมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 10^-13 ถึง 10^-17 หรือคลื่นที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 10^-13 นั่นเอง รังสีแกมมามีความถี่สูงมาก ดังนั้นมันจึงประกอบด้วยโฟตอนพลังงานสูงหลายตัว รังสีแกมมาเป็นการแผ่รังสีแบบ ionization มันจึงมีอันตรายต่อชีวภาพ รังสีแกมมาถือเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงที่สุดในบรรดาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ ที่เหลือทั้งหมด การสลายให้รังสีแกมมาเป็นการสลายของนิวเคลียสของอะตอมในขณะที่มีการเปลี่ยนสถานะจากสถานะพลังงานสูงไปเป็นสถานะที่ต่ำกว่า แต่ก็อาจเกิดจากกระบวนการอื่น

รังสีแกมมากับปฏิกิริยานิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือปฏิกิริยาที่เกิดความเปลี่ยนแปลงกับนิวเคลียสของอะตอม ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มหรือการลด โปรตอนหรือนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอม เช่นปฏิกิริยานี้

${\displaystyle {}_{11}^{23}Na+{}_{0}^{1}n\rightarrow {}_{11}^{24}Na+\gamma }$

จะเห็นได้ว่าโซเดียม ได้มีการรับนิวตรอนเข้าไป เมื่อนิวเคลียสเกิดความไม่เสถียร จึงเกิดการคายพลังงานออกมา และพลังงานที่คายออกมานั้น เมื่ออยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว มันก็คือรังสีแกมมานั่นเอง

โดยทั่วไป รังสีแกมมาที่แผ่ออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรนั้น มักจะมีค่าพลังงานที่แตกต่างกันไปตามแต่ละชนิดของไอโซโทป ซึ่งถือเป็นคุณลักษณะประจำไอโซโทปนั้น ๆ

การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี 
          การเกิดปฏิกิริยาของธาตุกัมมันตรังสี เรียกว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งมี 2 ประเภท คือ 
          1. ปฏิกิริยาฟิชชัน (Fission reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยิงอนุภาคนิวตรอนเข้าไปยังนิวเคลียสของธาตุหนัก แล้วทำให้นิวเคลียร์แตกออกเป็นนิวเคลียร์ที่เล็กลงสองส่วนกับให้อนุภาคนิวตรอน 2-3 อนุภาค และคายพลังงานมหาศาลออกมา ถ้าไม่สามารถควบคุมปฏิกิริยาได้อาจเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ลูกระเบิดปรมาณู (Atomic bomb) เพื่อควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดรุนแรงนักวิทยาศาสตร์จึงได้สร้างเตาปฏิกรณ์ปรมาณูเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้า
         2. ปฏิกิริยาฟิวชัน (Fusion reaction) คือ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิวเคลียสของธาตุเบาหลอมรวมกันเข้าเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่า และมีการคายความร้อนออกมาจำนวนมหาศาลและมากกว่าปฏิกิริยาฟิชชันเสียอีก ปฏิกิริยาฟิวชันที่รู้จักกันดี คือ ปฏิกิริยาระเบิดไฮโดรเจน (Hydrogen bomb) ดังภาพ

ธาตุแทรนซิชัน

                   นักเรียนได้ศึกษาสมบัติบางประการของธาตุหมู่ A มาแล้ว ต่อไปจะได้ศึกษาธาตุอีกกลุ่มหนึ่งซึ่งอยู่ระหว่างธาตุหมู่ IIA และหมู่ IIIA ที่เรียกว่า ธาตุแทรนซิชัน ประกอบด้วยธาตุหมู่ IB ถึงหมู่ VIIIB รวมทั้งกลุ่มแลนทาไนด์กับกลุ่มแอกทิไนด์ 

  ธาตุแทรนซิชันเหล่านี้มีอยู่ทั้งในธรรมชาติและได้จากการสังเคราะห์ บางธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสีธาตุแทรนซิชันมีสมบัติอย่างไร จะได้ศึกษาต่อไป

  สมบัติของธาตุแทรนซิชัน 
               นักเคมีจัดธาตุแทรนซิชันไว้ในกลุ่มของธาตุที่เป็นโลหะ แต่ไม่ได้เป็นกลุ่มเดียวกับธาตุหมู่ IA  IIA  และ IIIA  เพราะเหตุใดจึงจัดธาตุแทรนซิชันไว้อีกกลุ่มหนึ่ง เพื่อตอบคำถามนี้ให้ศึกษาสมบัติของธาตุแทรนซิชันเปรียบเทียบกับสมบัติของธาตุหมู่ IA และ IIA ที่อยู่ในคาบเดียวกันจากตาราง 3.5

ตาราง 3.5  สมบัติบางประการของโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4

 ธาตุแทรนซิชันเหล่านี้มีอยู่ทั้งในธรรมชาติและได้จากการสังเคราะห์ บางธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสีธาตุแทรนซิชันมีสมบัติอย่างไร จะได้ศึกษาต่อไป

3.4.1  สมบัติของธาตุแทรนซิชัน 
               นักเคมีจัดธาตุแทรนซิชันไว้ในกลุ่มของธาตุที่เป็นโลหะ แต่ไม่ได้เป็นกลุ่มเดียวกับธาตุหมู่ IA  IIA  และ IIIA  เพราะเหตุใดจึงจัดธาตุแทรนซิชันไว้อีกกลุ่มหนึ่ง เพื่อตอบคำถามนี้ให้ศึกษาสมบัติของธาตุแทรนซิชันเปรียบเทียบกับสมบัติของธาตุหมู่ IA และ IIA ที่อยู่ในคาบเดียวกันจากตาราง 3.5

ตาราง 3.5  สมบัติบางประการของโพแทสเซียม แคลเซียม และธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4

ปฏิกิริยาของธาตุและสารประกอบของธาตุตามหมู่

     ปฏิกิริยาของธาตุหมู่ IA และ IIA
โลหะโซเดียมและแมกนีเซียมเป็นธาตุหมู่ IA และ IIA ตามลำดับเมื่อธาตุทั้งสองทำปฏิกิริยากับน้ำ จากการทดลองพบว่ามีแก๊สเกิดขึ้นและสารละลายมีสมบัติเป็นเบสซึ่งถ้าทดสอบแก๊สที่เกิดขึ้นต่อไปจะพบว่าเป็นแก๊สไฮโดรเจน
นอกจากนี้ยังพบว่า ณ อุณหภูมิห้อง โลหะโซเดียมทำปฏิกิริยากับน้ำได้รุนแรงและรวดเร็ว ส่วนแมกนีเซียมเกิดปฏิกิริยาได้ค่อนข้างช้าแต่จะเกิดปฏิกิริยาได้เร็วขึ้นในน้ำร้อน แสดงว่าทั้งชนิดของโลหะและอุณหภูมิของน้ำมีผลต่อการเกิดปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับน้ำ
ธาตุหมู่ IA และ IIA เป็น โลหะ เมื่อทำปฏิกิริยากับ อโลหะ แล้วเกิดเป็นสารประกอบไอออนิกส่วนใหญ่
1.ธาตุหมู่ IA เป็นโลหะ แอลคาไล มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำมีเลขออกซิเดชัน +1 ธาตุหมู่นี้มีความว่องไวสูงในการเกิดปฏิกิริยา
2. ธาตุหมู่ IIA เป็นโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำ มีเลขออกซิเดชัน +2 สารประกอบของธาตุหมู่ IIA เมื่อละลายในน้ำหรืออยู่ในสถานะของเหลวเป็นตัวนำไฟฟ้า
      ปฏิกิริยาของธาตุหมู่ VIIA
1. ธาตุหมู่ VIIA (ธาตุแฮโลเจน) ไม่ว่าอยู่ในสถานะใดเป็นโมเลกุลอะตอมคู่ มี 7 เวเลนซ์อิเล็กตรอน มีพลังงานไอออไนเซชัน และ ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง ละลายได้ดีในสารละลายที่ไม่มีขั้ว
2.น้ำคลอรีน และน้ำโบรมีน สามารถทำปฏิกิริยากับสารประกอบแฮไลด์ในหมู่ธาตุเดียวกันได้

สมบัติของธาตุเเละสารประกอบ

สารประกอบออกไซด์ หมายถึง สารประกอบที่เกิดจากธาตุออกซิเจนรวมกับธาตุอื่น ๆ ซึ่งอาจจะเป็นโลหะหรืออโลหะก็ได้ เช่น Na2O, P2O3, NO2

การเตรียมสารประกอบออกไซด์ อาจจะทำได้โดยนำออกซิเจนมาเผารวมกับธาตุต่าง ๆ เช่น

4Na (s) + O2(g) --------------> 2Na2O (s)

2Ca(s) + O2(g) --------------> 2CaO (s)

4Al(s) + O2(g) ---------------> 2Al2O3(s)

C(s) + O2(g) --------------> CO2(g)

สมบัติบางประการของสารประกอบออกไซด์

จากการศึกษาสมบัติบางประการของสารประกอบออกไซด์ของ 20 ธาตุแรก เกี่ยวกับสูตรของสารประกอบ จุดหลอมเหลว สถานะ การละลายน้ำ และความเป็นกรด - เบสของสารละลายได้

1. เมื่อใช้ความเป็นโลหะและอโลหะเป็นเกณฑ์ จะแบ่งสารออกได้เป็น 2 กลุ่มดังนี้

ก . ออกไซด์ของโลหะ เช่น Li2O BeO Na2O MgO Al2O3K2O CaO
ข . ออกไซด์ของอโลหะ เช่น H2O CO2N2O5F2O P2O5SO2Cl2O

2. การแบ่งกลุ่มย่อยอาจจะใช้สมบัติความเป็นกรด - เบสของสารละลาย เช่น

ก . ออกไซด์ของโลหะ

- สารละลายเป็นกรด -
- สารละลายเป็นเบส ได้แก่ Li2O Na2O MgO K2O และ CaO
- สารละลายเป็นกลาง ได้แก่ -
- พวกไม่ละลายน้ำ ได้แก่ BeO Al2O3B2O3SiO2

ข . ออกไซด์ของอโลหะ

- สารละลายเป็นกรด ได้แก่ CO2N2O5F2O P2O5SO2และ Cl2O
- สารละลายเป็นเบส ได้แก่ -
- สารละลายเป็นกลาง ได้แก่ H2O
- พวกไม่ละลายน้ำ ได้แก่ -

4. เมื่อใช้จุดหลอมเหลวเป็นเกณฑ์จะได้กลุ่มย่อย

โดยสรุป

ก . ออกไซด์ของโลหะ มีสถานะเป็นของแข็งที่มีจุดหลอมเหลวค่อนข้างสูง พวกที่ละลายน้ำได้สารละลายจะแสดงสมบัติเป็นเบส เปลี่ยนสีกระดาษลิตมัสจากแดงเป็นน้ำเงิน
ข . ออกไซด์ของอโลหะ มีสถานะเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลวและก๊าซ ส่วนมากมีจุดหลอมเหลวค่อนข้างต่ำพวกที่ละลายน้ำได้สารละลายจะแสดงสมบัติเป็นกรด

เมื่อนำสารประกอบออกไซด์มาจัดเรียงเป็นหมวดหมู่เดียวกันตามตารางธาตุ จะได้ดังนี้

สารประกอบคลอไรด์

สารประกอบคลอไรด์หมายถึง สารประกอบธาตุคู่ระหว่างธาตุคลอรีนกับธาตุอื่นๆ เช่น NaCl CaCl2HCl และ CCl4เป็นต้น

สารประกอบคลอไรด์สามารถเตรียมได้โดยตรง โดยผ่านก๊าซคลอรีนแห้งไปบนธาตุที่กำลังร้อน ดังนั้นในขั้นแรกจึงต้องเตรียมก๊าซคลอรีนก่อนแล้วจึงผ่านก๊าซคลอรีนที่ได้นั้นลงไปบนธาตุที่ร้อนดังกล่าว

การเตรียมก๊าซคลอรีนในห้องปฏิบัติการ ใช้ปฏิกิริยาระหว่างโปตัสเซียมเพอร์แมงกาเนต (KMnO 4) กับก๊าซไฮโดรคลอริก(HCl) เข้มข้นประมาณ 10 mol/dm 3 ซึ่งเกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้
KMnO4(s) +16 HCl (aq) --->2KCl (aq)+ 2MnCl2(aq) +8H2(l) + 5Cl2(g)

หมายเหตุ: ก๊าซคลอรีนเป็นก๊าซพิษ ดังนั้นการเตรียมจึงต้องทำอย่างระมัดระวัง

สมบัติของสารประกอบคลอไรด์

1. การแตกตัวเป็นไอออนทดสอบได้โดยใช้สารละลาย AgNO 3 ซึ่งถ้ามีCl - จะเกิดตะกอนของ AgCl จัดว่าเป็นวิธีทดสอบคลอไรด์ไอออนวิธีหนึ่ง จากสมการดังต่อไปนี้

Ag +(aq) + Cl-(aq) -------> AgCl (s)

2. แบ่งสารประกอบคลอไรด์ออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ คลอไรด์ของโลหะและคลอไรด์ของอโลหะดังนี้

ก . คลอไรด์ของโลหะ ได้แก่ LiCl BeCl2NaCl MgCl2AlCl3KCl และ CaCl2
ข . คลอไรด์ของอโลหะ ได้แก่ HCl BCl3CCl4NCl3Cl2O ClF PCl5SiCl4และ SCl2

3. เมื่อใช้ความเป็นกรด - เบสของสารละลาย จะแบ่งกลุ่มย่อยได้ดังนี้

ก . คลอไรด์ของโลหะ

- สารละลายเป็นกรด ได้แก่ AlCl3BeCl2
- สารละลายเป็นกลาง ได้แก่ LiCl NaCl MgCl2KCl และ CaCl2
- สารละลายเป็นเบส -

ข . คลอไรด์ของอโลหะ

- สารละลายเป็นกรด ได้แก่ HCl BCl3Cl2O ClF PCl5SiCl4และ SCl2
- สารละลายเป็นกลาง ได้แก่ -
- สารละลายเป็นเบส ได้แก่ -

4. เมื่อใช้สถานะและจุดหลอมเหลว จะแบ่งกลุ่มย่อย

เมื่อนำคลอไรด์มาจัดรวมกันเป็นหมวดหมู่ หมวดหมู่เดียวกันตามตารางธาตุ จะได้ดังนี้