Tip:
Highlight text to annotate it
X
สวัสดี ครูแอนเดอเสนกับวิดีโอในชุดวิชาเคมีพื้นฐานลำดับที่ 21 อันนี้ จะว่าด้วยเรื่องของพันธะโลหะ
มีประเด็นสำคัญที่เราจะต้องเข้าใจก่อนอื่นเลย ว่าพันธะโลหะนั้น ไม่ใช่พันธะเดี่ยวๆ
พันธะโลหะเป็นการใช้อิเลคตรอนร่วมกันของกลุ่มอะตอม จึงถือว่าอะตอมกลุ่มนี้ ใช้พันธะร่วมกัน
พันธะโลหะจึงถูกมองด้วยแบบจำลองทะเลอิเลคตรอน
เป็นที่ที่มีอิเลคตรอนเหล่านี้อยู่ด้วยกันเป็นทะเลอิเลคตรอน และถูกใช้ร่วมกันโดยกลุ่มของอะตอม
ซึ่งก็คือโปรตอนที่ลอยอยู่ในทะเลอิเลคตรอนนั้น พันธะโลหะจึง
ไม่ได้เป็นการใช้อิเลคตรอนแบบที่ติดอยู่ในที่เดียว นั่นคือ อิเลคตรอนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ไปได้
จึงเป็นที่มาของการมองเป็นแบบจำลองทะเลอิเลคตรอน และก็เป็นที่มาของ
คุณสมบัติเฉพาะต่างๆ ของโลหะ อย่างเช่นการนำ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ ความเหนียว ความคงทนสูง
ในบางครั้งเราก็ต้องไปกลับไปใช้แบบจำลองวงโคจร เพื่อที่จะอธิบายปรากฏการณ์ใหม่ๆ บางอย่าง
ซึ่งจะว่ากันในรายละเอียดต่อไป แต่ว่าคุณสมบัติต่างๆ ที่ว่านี้ ล้วนเป็นผลจากพันธะโลหะทั้งสิ้น
ถ้าเราต้องการจะนึกภาพของพันธะโลหะ อันเป็นพันธะที่เป็นการใช้อิเลคตรอนร่วมกันของอะตอมโลหะ เราก็ต้องมองแบบนี้
ก็จะต้องมีประจุบวกของโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียสก่อน
แล้วก็จะมีอิเลคตรอนที่สามารถเคลื่อนที่ไปไหนๆ ได้ และก็จะไม่อยู่รวมกัน
เพราะจะผลักกันตลอดเวลา จึงทำให้มีการเคลื่อนที่ไปมาอยู่เรื่อยๆ
คื่อมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา มองคล้ายทะเลอิเลตรอนที่มีประจุลบ
แล้วก็มีโปรตอนลอยอยู่ในนั้น
นี่ดูจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการมองพันธะโลหะนี้ อย่าลืมว่าอันนี้ เป็นเรื่องของโลหะทรานสิชัน
คือโลหะพวกที่มีอะตอมที่มีอิเลคตรอนที่ไม่ได้จับคู่อยู่ในชั้นวงโคจร d
ทำให้อิเลคตรอนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ไปที่ไหนๆได้
เป็นที่มาของคุณสมบัติต่างๆของโลหะ ประการแรกก็คือ เป็นตัวนำที่ดี
หมายความถึงการนำไฟฟ้า และการนำความร้อน เหตุผลก็คือ
กระแสไฟฟ้านั่น ก็คือการเคลื่อนของอิเลคตรอน เพราะงั้น ถ้าเรามี
อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้เป็นอิสระ มันก็ทำให้โลหะมีอิเลคตรอนที่พร้อมจะเคลื่อนที่อยู่ เช่านเดียวกับกรณีการนำความร้อน
เนื่องจากทั้งอิเล็กตรอนและอะตอมที่ ค่อนข้างมีอิสระในการเคลื่อนที่ จึงมีโอกาสที่จะเคลื่อนพลังานผ่านตัวมันไปโดยง่าย
โลหะยังมีความสามารถในการเปลี่ยนรูป (malleable) นั่นหมายความว่า
เราสามารถตีโลหะให้เป็นแผ่นบางๆได้โดยที่ยังคงรูปอยู่ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ช่างเหล็กเอาไปใช้
โดยอาจจะมีการเผาเพื่อให้อะตอมในพันธะมีพลังงานมากขึ้นก่อน เมื่อมีการตีลงไปด้วยค้อน
ก็จะเกิดการเคลื่อนของชั้นโลหะชั้นหนึ่งผ่านไปบนอีกชั้น
นี่เองที่ทำให้เรามีแผ่นทองคำที่มีขนาดบางมากๆได้ โดยที่มันก็เป็นทองคำนี่แหละ แต่ถูกเอามาตี
ซ้ำแล้วซ้ำอีกจนบางเป็นแผ่นอย่างที่เห็น โลหะยังมีความเหนียว ซึ่งหมายความว่า
ถ้าเราดึงโลหะ มันก็จะยืดตัวออก
แทนที่จะขาดออกจากัน อย่างในการทดสอบความเหนียวของโลหะต่างๆนั้น
เราก็จะเอามาใส่ในเครื่องมืออย่างที่เห็นนี้ แล้วก็ใส่แรงดึง
ถ้าเป็นวัสดุที่มีความเหนียวแล้ว พอเราใส่แรงดึงเข้าไป มันก็จะยืดออกก่อนที่จะขาดจากกันในที่สุด
ถ้าไม่มีการยืดเลย เราจะเรียกว่าวัสดุนั้นมีความเปราะ พอเจอแรงดึงก็จะขาดจากกันโดยง่าย
โลหะนั้นมีความเหนียว เนื่องจากว่ามีอะตอมภายใน
ที่สามารถเคลื่อนที่ไปมา และแทนที่กันและกันได้ เมื่อเจอแรงดึง จึงสามารถยืดตัวออกได้
โลหะยังมีความผันผวนต่ำด้วย นั่นหมายความว่า
มีจุดหลอมเหลวสูง และมีจุดเดือดสูง ทำไมเป็นเช่นนั้น? ก็ต้องลองนึกถึงประจุบวก
ที่มีอยู่ในโลหะพวกนั้น เมื่ออยู่ท่ามกลางอิเลคตรอนที่มีประจุลบ
ก็หมายความว่าจะมีแรงดึงดูดมหาศาลระหว่างสองกลุ่มนี้ ทำให้ยากต่อการที่จะแยกอะตอมหรือโมเลกุลออกมา
ก็เลยยากต่อการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวหรือกาซ ทีนี้ ลองมาไล่ดู
ตามคาบของโลหะทรานสิชัน อย่างเช่นในคาบนี้ จากสแกนเดียมไปที่สังกะสี
ไล่มาจากซ้ายไปว่า เราก็นึกว่าน่าจะมีจำนวนอิเลคตรอนเพิ่มขึ้น ก็เลย
น่าจะมีคุณสมบัติอย่างเช่น จุดหลอมเหลว เพิ่มขึ้น ซึ่งไม่เป็นความจริง
มาดูว่าข้อมูลจริงเป็นอย่างไร พอไล่ไปแรก ก็ดูเหมือนจะเพิ่มขึ้น
แต่แล้วก็ลดลง แล้วก็ลดลงอีก นี่ก็ทำให้
แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอนซึ่งใช้อธิบายเรื่องต่างๆมาได้ดี แต่เมื่อต้องมาอธิบายปรากฏการณ์อย่างนี้
เราจะต้องหันกลับไปเอาแบบจำลองวงโคจรกลับมาช้งานอีก เริ่มจาก
การจัดเรียงอิเลคตรอน เริ่มที่สแกนเดียม
ที่มีอิเลคตรอน 2ตัวในชั้น 4s ตรงนี้แหละที่เป็นความน่าสนใจของโลหะทรานสิชัน
อิเลคตรอนวงนอกนั้น อยู่ในวงโคจรสูงๆ ทว่าก็อยู่ในชั้นอย่าง ชั้นย่อย s
ลองดูให้ดี พอเราไล่มาเรื่อยๆ เราจะเห็นการเพิ่มของอิเลคตรอน
ก็คือการเพิ่มของอิเลคตรอนวงนอก ตั้งแต่จากไททาเนียม
แล้วก็มาจนถึงวานาเดียม ตอนนี้ก็ยังดูปกติดีอยู่ เรายังสามารถเพิ่มอิเลคตรอนในชั้นต่างๆเหล่านี้
ยังเพิ่มประจุพวกนี้ได้ดีอยู่ ก็ทำให้ยังยากที่จะถึงจุดหลอมเหลวง่ายๆ
แต่ดูตรงนี้ให้ดี พอมาถึงโครเมียม ก็เห็นว่ามันหล่นตุ้บ เหตุผลก็คือ
อิเลคตรอนที่เพิ่มขึ้น ไม่ได้เข้าไปอยู่ที่ชั้น 4s ต้องโดดไปที่ 3d เสียก่อน เพราะงั้น พอเราไล่มาถึงแมกนีเซียม
เราก็จะได้อะตอมที่มีวงโคจรที่มีความเสถียรมากสักหน่อย เพราะทุกชั้นมีอิเลคตรอนอยู่หมด ก็เลย
มีจุดหลอมเหลวลดลง จากนั้น ลักษณะเดิมก็จะกลับมาอีก ..เอาละ
มาเริ่มเพิ่มอิเล็กตรอนกันอีกที ดังนั้นเมื่อเราไล่มาที่เหล็ก แล้วก็โคบอลต์ แล้วก็นิเกิล .. ตอนนี้เรากำลัง
เพิ่มอิเล็กตรอนคู่เหล่านี้ ขณะที่เราจใส่คู่อิเล็กตรอนเหล่านั้นเข้าไป
ก็จะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระอีกต่อไป เราจึงเห็นจุดหลอมละลายลดลง เมื่อไล่ไปจนถึงสังกะสี
อย่างลืมว่า พอเราไล่ไปถึงสังกะสี เรากำลังเข้าไปสู่ส่วนที่เป็นอโลหะแล้ว
เราจึงเริ่มเห็นสารที่มีคุณสมบัติต่างออกไป กลับมาที่เรื่องพันธะโลหะอีกที .. จะเห็นว่าเป็นเรื่องไม่ยาก
เราได้เรียนรู้เรื่องแบบจำลองที่อิเลคตรอนไม่ได้ถูกใช้อยู่เฉพาะที่หนึ่งที่ใดอย่างเดียว เอามาใช้อธิบายคุณสมบัติของโลหะ
ถ้าเราเข้าใจแบบจำลองทะเลอิเลคตรอน ว่ามีผลต่อการนำ การแปรรูบ
ความเหนียวและความผันผวนต่ำแล้ว ก็เป็นอันใช้ได้ หวังว่าเรื่องนี้ จะเป็นประโยชน์บ้าง