วิธีจำสีของสารประกอบเชิงซ้อน

วิธีจำสีของสารประกอบเชิงซ้อนที่ได้ผลที่สุดคือ “จำหลัก แล้วค่อยจำตาราง” ใช้ 4 ข้อนี้ไล่ตามลำดับ ข้อแรก ไอออนที่เป็น d⁰ หรือ d¹⁰ ไม่มีสี ข้อสอง สีที่ตาเห็นคือสีคู่ตรงข้ามของแสงที่ถูกดูดกลืน ข้อสาม ลิแกนด์ยิ่งแรง ช่องว่างพลังงาน Δ ยิ่งกว้าง สีจะเลื่อนไปในทิศที่ทำนายได้ และข้อสี่ จับกลุ่มสีตามธาตุและเลขออกซิเดชัน พร้อมจำข้อยกเว้นไม่กี่ตัว อย่าง MnO₄⁻ และ Cr₂O₇²⁻

น้อง ๆ หลายคนเปิดตารางสีไอออนมาแล้วท่องแบบแฟลชการ์ด สุดท้ายพอโจทย์เปลี่ยนลิแกนด์หรือถามว่า “ดูดกลืนความยาวคลื่นยาวขึ้นหรือสั้นลง” ก็ตอบไม่ได้ พี่ปีโป้เลยอยากให้มองเรื่องนี้เป็นเหตุและผล ถ้ารู้ว่าสีมาจากไหน ตารางที่ดูยาวจะเหลือส่วนที่ต้องท่องจริง ๆ ไม่กี่บรรทัด และใช้ได้ทั้งสอบในห้อง สอบเข้ามหาวิทยาลัย และสนาม สอวน. เคมี

ทำไมสารประกอบเชิงซ้อนถึงมีสี เข้าใจก่อนแล้วจะจำง่าย

ในสารประกอบเชิงซ้อนทรงแปดหน้า (octahedral) ลิแกนด์ที่ล้อมรอบไอออนโลหะทำให้ออร์บิทัล d ทั้ง 5 ตัวที่เคยมีพลังงานเท่ากัน แยกออกเป็น 2 กลุ่ม คือ t₂g ที่พลังงานต่ำกว่า และ e_g ที่พลังงานสูงกว่า ช่องว่างพลังงานระหว่างสองกลุ่มนี้เรียกว่า Δo (crystal field splitting energy) ตามทฤษฎีสนามผลึก

เมื่อแสงขาวส่องผ่าน อิเล็กตรอนใน t₂g จะดูดกลืนโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับ Δo พอดีแล้วขึ้นไปอยู่ที่ e_g เรียกว่าการเปลี่ยนแบบ d-d แสงช่วงนั้นจึงหายไป ส่วนที่เหลือคือสีที่ตาเรามองเห็น

ตัวอย่างคลาสสิกคือ [Ti(H₂O)₆]³⁺ ซึ่งเป็น d¹ ดูดกลืนแสงมากที่สุดราว 500 นาโนเมตร (ช่วงเขียวถึงเหลืองเขียว) สารละลายจึงเห็นเป็นสีม่วง

หลักที่ 1 นับ d-electron ก่อน ถ้าเป็น d⁰ หรือ d¹⁰ ไม่มีสี

การเปลี่ยนแบบ d-d ต้องมีทั้งอิเล็กตรอนที่จะกระโดด และที่ว่างให้กระโดดไปอยู่ ดังนั้น

• d⁰ ไม่มีอิเล็กตรอนใน d ให้กระโดด
• d¹⁰ ออร์บิทัล d เต็มหมด ไม่มีที่ให้กระโดดไป

สูตรนับเร็วสำหรับโลหะแทรนซิชันหมู่ 3 ถึง 12 คือ จำนวน d-electron ของไอออน = เลขหมู่ − เลขออกซิเดชัน เช่น Cu²⁺ อยู่หมู่ 11 ได้ 11 − 2 = 9 จึงเป็น d⁹ และมีสี

ข้อยกเว้นที่ต้องจำ คือออกโซแอนไอออนของโลหะเลขออกซิเดชันสูง อย่าง MnO₄⁻ (ม่วงเข้ม) CrO₄²⁻ (เหลือง) และ Cr₂O₇²⁻ (ส้ม) ทั้งหมดเป็น d⁰ แต่มีสีเข้มมาก เพราะสีไม่ได้มาจาก d-d แต่มาจากการถ่ายโอนประจุจากลิแกนด์ไปยังโลหะ (Ligand-to-Metal Charge Transfer, LMCT) ซึ่งดูดกลืนแสงได้แรงกว่าการเปลี่ยนแบบ d-d หลายเท่า

หลักที่ 2 สีที่เห็น คือสีคู่ตรงข้ามของสีที่ถูกดูดกลืน

พี่ปีโป้ให้จำประโยคเดียว “แดงคู่เขียว ส้มคู่น้ำเงิน เหลืองคู่ม่วง” ลองนึกภาพเอาสีรุ้งมาวางเป็นวงกลม สีที่อยู่ตรงข้ามกันคือคู่กัน

ช่วงตัวเลขในตารางเป็นค่าประมาณ ตำราแต่ละเล่มอาจแบ่งต่างกันเล็กน้อย ในการสอบให้ยึดหลักคู่ตรงข้ามเป็นหลัก เช่น [Cu(H₂O)₆]²⁺ ดูดกลืนแสงช่วงแดงไปจนถึงอินฟราเรดใกล้ สารละลายจึงออกฟ้า

หลักที่ 3 อนุกรมสเปกโทรเคมี ลิแกนด์ยิ่งแรง สียิ่งเลื่อนไปทางเหลือง

ลิแกนด์แต่ละชนิดทำให้ Δ กว้างไม่เท่ากัน เมื่อเรียงจากแรงน้อยไปมากจะได้อนุกรมสเปกโทรเคมี (spectrochemical series) ฉบับย่อที่ใช้บ่อยในระดับมัธยมปลายและ สอวน. คือ

I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ < OH⁻ < H₂O < NH₃ < en < NO₂⁻ < CN⁻ < CO

วิธีจำแบบพี่ปีโป้ แบ่งเป็น 3 ช่วง “ฮาโลเจนอ่อนสุด น้ำอยู่กลาง แอมโมเนียแรงกว่าน้ำ ไซยาไนด์กับ CO แรงสุด”

เหตุผลที่ต้องรู้ลำดับนี้ คือ Δ กว้างขึ้น แปลว่าต้องใช้โฟตอนพลังงานสูงขึ้น หรือความยาวคลื่นสั้นลง ถ้าไล่ตามวงล้อสี สีที่ตาเห็นจะเลื่อนตามลำดับนี้

เขียว → น้ำเงิน → ม่วง → แดง → ส้ม → เหลือง (Δ กว้างขึ้นเรื่อย ๆ)

ข้อควรระวัง หลักนี้บอก “ทิศทาง” ของการเปลี่ยนสีได้ดี แต่ไม่ได้บอกเฉดสีเป๊ะ ๆ เพราะ Δ ยังขึ้นกับอีก 2 ปัจจัย คือ เลขออกซิเดชันของโลหะ (ยิ่งสูง Δ ยิ่งกว้าง) และรูปทรงโมเลกุล (ทรงสี่หน้ามี Δt ประมาณ 4/9 ของ Δo) โจทย์ สอวน. ชอบถามแนว “ดูดกลืนความยาวคลื่นยาวขึ้นหรือสั้นลง” มากกว่าให้ทายเฉดสี

หลักที่ 4 จำตามธาตุและเลขออกซิเดชัน ตารางสีที่ออกสอบบ่อย

พอเข้าใจ 3 หลักแรกแล้ว ตารางนี้จะเหลือแค่ “ยืนยันความจำ” สีในตารางคือสีของสารละลายเจือจางในน้ำโดยทั่วไป เฉดจริงอาจต่างไปตามความเข้มข้นและไอออนอื่นในสารละลาย

คำช่วยจำที่ใช้บ่อยในห้องเรียน

• วาเนเดียม ไล่จาก +5 ลงไป +2 ด้วยการรีดิวซ์ จะได้ “เหลือง น้ำเงิน เขียว ม่วง” จำว่า “ห้าเหลือง สี่น้ำเงิน สามเขียว สองม่วง”
• โครเมียม สมดุล 2CrO₄²⁻ + 2H⁺ ⇌ Cr₂O₇²⁻ + H₂O จำว่า “เติมกรดเป็นส้ม เติมเบสเป็นเหลือง”
• โคบอลต์ คือหลักการของซิลิกาเจลชนิดมีตัวบ่งชี้และกระดาษโคบอลต์คลอไรด์ “แห้งน้ำเงิน เปียกชมพู”
• เหล็ก “เหล็กสองเขียว เหล็กสามเหลือง เจอ SCN⁻ แดงเลือด” ซึ่งปฏิกิริยาสีแดงกับ SCN⁻ ใช้ทดสอบ Fe³⁺ ได้

ลำดับคิด 4 ขั้นเวลาเจอโจทย์จริง

1. หาเลขออกซิเดชันของโลหะ แล้วนับ d-electron ถ้าเป็น d⁰ หรือ d¹⁰ ตอบว่าไม่มีสี เว้นแต่เป็นออกโซแอนไอออนแบบ MnO₄⁻ หรือ CrO₄²⁻
2. ดูลิแกนด์และรูปทรง เพื่อเทียบว่า Δ กว้างขึ้นหรือแคบลง
3. ใช้วงล้อสีแปลงระหว่าง “สีที่ดูดกลืน” กับ “สีที่เห็น”
4. เช็กกับตารางสีที่จำไว้อีกรอบ

ตัวอย่างที่ 1 สารใดไม่มีสี

ตัวเลือก [Zn(NH₃)₄]²⁺, [Cu(NH₃)₄]²⁺, [Sc(H₂O)₆]³⁺, [Ti(H₂O)₆]³⁺

นับ d-electron จะได้ Zn²⁺ เป็น d¹⁰, Cu²⁺ เป็น d⁹, Sc³⁺ เป็น d⁰ และ Ti³⁺ เป็น d¹ คำตอบคือ [Zn(NH₃)₄]²⁺ และ [Sc(H₂O)₆]³⁺

ตัวอย่างที่ 2 เปลี่ยนลิแกนด์แล้วความยาวคลื่นที่ดูดกลืนเปลี่ยนอย่างไร

เมื่อเติม NH₃ ปริมาณมากเกินพอลงในสารละลาย [Ni(H₂O)₆]²⁺ จะได้ [Ni(NH₃)₆]²⁺ ความยาวคลื่นที่ดูดกลืนมากที่สุดจะยาวขึ้นหรือสั้นลง

NH₃ อยู่หลัง H₂O ในอนุกรมสเปกโทรเคมี จึงเป็นลิแกนด์ที่แรงกว่า Δo กว้างขึ้น ต้องใช้พลังงานสูงขึ้น ความยาวคลื่นที่ดูดกลืนจึง “สั้นลง” สอดคล้องกับสีที่เปลี่ยนจากเขียวไปเป็นน้ำเงินม่วง

ต่อยอดระดับ สอวน. เคมี ทำไมบางสีจาง บางสีเข้ม

โจทย์ระดับโอลิมปิกไม่ได้ถามแค่ว่า “สีอะไร” แต่ชอบถามว่า “ทำไมเข้มหรือจาง” สรุปสั้น ๆ ได้ 3 ข้อ

• [Mn(H₂O)₆]²⁺ เป็น d⁵ สปินสูง อิเล็กตรอนอยู่ออร์บิทัลละตัวและสปินเหมือนกันหมด การเปลี่ยนแบบ d-d ทุกแบบต้องกลับทิศสปิน ซึ่งเป็นการเปลี่ยนที่ถูกห้ามตามกฎการเลือกสปิน (spin-forbidden) จึงดูดกลืนแสงได้น้อยมาก สีจางจนเกือบใส
• สารเชิงซ้อนทรงสี่หน้า เช่น [CoCl₄]²⁻ มักมีสีเข้มกว่าทรงแปดหน้า เพราะไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร การเปลี่ยนแบบ d-d จึงถูกห้ามตามกฎของ Laporte น้อยกว่า
• สีจากการถ่ายโอนประจุ เช่น MnO₄⁻ เป็นการเปลี่ยนที่ได้รับอนุญาต จึงเข้มกว่าสีจาก d-d มาก สารละลาย KMnO₄ เจือจางนิดเดียวก็เห็นม่วงชัด

จุดที่น้อง ๆ มักพลาด

• ตอบว่าสีที่เห็นคือสีที่ถูกดูดกลืน ทั้งที่จริงเป็นสีคู่ตรงข้าม
• ลืมว่า Zn²⁺, Cu⁺, Ag⁺ เป็น d¹⁰ จึงไม่มีสี
• อธิบายสีของ MnO₄⁻ หรือ Cr₂O₇²⁻ ด้วย d-d ทั้งที่เป็น d⁰ และสีมาจากการถ่ายโอนประจุ
• กลับทิศอนุกรมสเปกโทรเคมี คิดว่าลิแกนด์แรงขึ้นแล้วดูดกลืนความยาวคลื่นยาวขึ้น
• ใช้หลักที่ 3 ทายเฉดสีแบบเป๊ะ ๆ โดยลืมดูเลขออกซิเดชันและรูปทรง

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับสีของสารประกอบเชิงซ้อน

ทำไมสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะแทรนซิชันส่วนใหญ่จึงมีสี

เพราะลิแกนด์ทำให้ออร์บิทัล d แยกเป็นระดับพลังงานต่างกัน อิเล็กตรอนดูดกลืนแสงในช่วงที่มองเห็นได้เพื่อเปลี่ยนระดับ (การเปลี่ยนแบบ d-d) แสงที่เหลือจึงปรากฏเป็นสีคู่ตรงข้ามของแสงที่ถูกดูดกลืน

ทำไม Zn²⁺ และ Sc³⁺ จึงไม่มีสี

Zn²⁺ เป็น d¹⁰ ออร์บิทัล d เต็มหมด ส่วน Sc³⁺ เป็น d⁰ ไม่มีอิเล็กตรอนใน d เลย ทั้งสองแบบจึงเกิดการเปลี่ยนแบบ d-d ไม่ได้ และไม่ดูดกลืนแสงในช่วงที่มองเห็นได้

ทำไม KMnO₄ จึงมีสีม่วงเข้มทั้งที่ Mn ใน MnO₄⁻ เป็น d⁰

สีของ MnO₄⁻ ไม่ได้มาจากการเปลี่ยนแบบ d-d แต่มาจากการถ่ายโอนประจุจากออกซิเจนไปยัง Mn (LMCT) ซึ่งดูดกลืนแสงได้แรงมาก สีจึงเข้มกว่าสีจาก d-d ทั่วไป

เติมแอมโมเนียลงในสารละลาย CuSO₄ แล้วเกิดอะไรขึ้น

ช่วงแรกจะได้ตะกอน Cu(OH)₂ สีฟ้า เมื่อเติม NH₃ มากเกินพอ ตะกอนละลายได้สารละลายสีน้ำเงินเข้มของ [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂]²⁺ เพราะ NH₃ เป็นลิแกนด์ที่แรงกว่า H₂O ทำให้ดูดกลืนแสงความยาวคลื่นสั้นลง

ต้องท่องตารางสีของสารประกอบเชิงซ้อนทั้งหมดไหม

ไม่จำเป็น ให้เข้าใจ 4 หลัก คือ d⁰/d¹⁰ ไม่มีสี สีที่เห็นเป็นสีคู่ตรงข้าม ลิแกนด์แรงทำให้ Δ กว้าง และข้อยกเว้นจากการถ่ายโอนประจุ แล้วจำเฉพาะสีของไอออนที่ออกบ่อย เช่น Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, MnO₄⁻ และ Cr₂O₇²⁻

สรุป

วิธีจำสีของสารประกอบเชิงซ้อนที่พี่ปีโป้แนะนำคือเริ่มจากเหตุผล นับ d-electron ก่อนเพื่อตัดตัวที่ไม่มีสี ใช้ “แดงคู่เขียว ส้มคู่น้ำเงิน เหลืองคู่ม่วง” แปลงสีที่ดูดกลืนเป็นสีที่เห็น ใช้อนุกรมสเปกโทรเคมีบอกทิศทางการเปลี่ยนสีเมื่อเปลี่ยนลิแกนด์ แล้วค่อยจำตารางสีเฉพาะไอออนหลัก ๆ กับข้อยกเว้นอย่าง MnO₄⁻ และ Cr₂O₇²⁻ แค่นี้ก็ตอบโจทย์ได้เกือบทุกแนว ตั้งแต่ข้อสอบในห้องไปจนถึง สอวน. เคมี

พี่ปีโป้แนะนำให้ลองปิดคอลัมน์สีในตารางด้านบน แล้วทายสีของแต่ละไอออนจากหลักทั้ง 4 ข้อดู ถ้าอธิบายเหตุผลได้ครบ แปลว่าน้องไม่ได้จำ แต่เข้าใจแล้วจริง ๆ

แหล่งอ้างอิงสำหรับอ่านเพิ่ม

• Housecroft, C. E. & Sharpe, A. G. Inorganic Chemistry บททฤษฎีสนามผลึกและสเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์ของสารเชิงซ้อน
• Weller, M. et al. Inorganic Chemistry (Shriver & Atkins) บท d-Metal Complexes: Electronic Structure and Properties
• Greenwood, N. N. & Earnshaw, A. Chemistry of the Elements บทโลหะแทรนซิชันแถวแรก