พันธะโลหะ: คุณสมบัติวิธีการสร้างและตัวอย่าง - เคมี - 2026

พันธบัตรโลหะเป็นสิ่งหนึ่งที่ถือเป็นอะตอมของธาตุโลหะที่แน่นด้วยกัน มีอยู่ในโลหะและกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพทั้งหมดของพวกมันที่บ่งบอกลักษณะของพวกมันว่าเป็นวัสดุที่แข็งเหนียวยืดหยุ่นได้และเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี

จากพันธะเคมีทั้งหมดพันธะโลหะเป็นพันธะเดียวที่อิเล็กตรอนไม่ได้อยู่เฉพาะระหว่างอะตอมคู่หนึ่ง แต่ถูกแบ่งระหว่างหลายล้านอะตอมด้วยกาวชนิดหนึ่งหรือ "ทะเลอิเล็กตรอน" ที่ยึดพวกมันเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา หรือเหนียว

พันธะโลหะทองแดง

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าโลหะทองแดง ในทองแดงอะตอม Cu ของมันจะมอบเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพื่อสร้างพันธะโลหะ เหนือพันธะนี้แสดงเป็นไอออนบวก Cu ²⁺ (วงกลมสีน้ำเงิน) ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน (วงกลมสีเหลือง) อิเล็กตรอนไม่อยู่นิ่ง: เคลื่อนที่ไปทั่วผลึกทองแดง อย่างไรก็ตามในโลหะเราไม่ได้พูดถึงไอออนบวกอย่างเป็นทางการ แต่เป็นอะตอมของโลหะที่เป็นกลาง

พันธะโลหะได้รับการตรวจสอบโดยการตรวจสอบคุณสมบัติของธาตุโลหะเช่นเดียวกับของโลหะผสม สิ่งเหล่านี้รวมชุดของวัสดุมันวาวสีเงินแข็งและแข็งซึ่งมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง

พันธะโลหะเกิดขึ้นได้อย่างไร?

พันธะโลหะในสังกะสี

พันธะโลหะเกิดขึ้นระหว่างอะตอมของโลหะชุดเดียวหรือกลุ่มเดียว เพื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปทั่วทั้งผลึกโลหะจำเป็นต้องมี "ทางหลวง" ที่พวกเขาสามารถเดินทางไปได้ สิ่งนี้ได้รับการออกแบบจากการทับซ้อนกันของออร์บิทัลอะตอมทั้งหมดของอะตอมข้างเคียง

ตัวอย่างเช่นพิจารณาแถวของอะตอมสังกะสี Zn ··· Zn ··· Zn ··· อะตอมเหล่านี้ทับซ้อนออร์บิทัลอะตอมของเวเลนซ์เพื่อสร้างออร์บิทัลระดับโมเลกุล ในทางกลับกันออร์บิทัลโมเลกุลเหล่านี้ทับซ้อนกับออร์บิทัลอื่น ๆ ของอะตอม Zn ที่อยู่ใกล้เคียง

สังกะสีแต่ละอะตอมมีส่วนให้อิเล็กตรอนสองตัวเพื่อสร้างพันธะโลหะ ด้วยวิธีนี้การทับซ้อนกันหรือการรวมกันของออร์บิทัลโมเลกุลและอะตอมที่บริจาคโดยสังกะสีทำให้เกิด "ทางหลวง" ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากกันทั่วทั้งคริสตัลราวกับว่าพวกมันเป็นกาวหรือทะเลอิเล็กตรอนปกคลุมหรือ อาบน้ำอะตอมของโลหะทั้งหมด

คุณสมบัติของพันธะโลหะ

โครงสร้าง

พันธะโลหะก่อให้เกิดโครงสร้างขนาดกะทัดรัดซึ่งอะตอมจะรวมกันอย่างใกล้ชิดโดยไม่มีระยะห่างมากนัก มีผลึกที่แตกต่างกันบางชนิดมีความหนาแน่นมากกว่าชนิดอื่นทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของโครงสร้างเฉพาะ

ในโครงสร้างโลหะเราไม่ได้พูดถึงโมเลกุล แต่เป็นอะตอมที่เป็นกลาง (หรือไอออนบวกตามมุมมองอื่น ๆ ) ย้อนกลับไปที่ตัวอย่างของทองแดงในผลึกอัดแน่นไม่มีโมเลกุล Cu _{2 ที่}มีพันธะโคเวเลนต์ Cu-Cu

การปฏิรูป

พันธะโลหะมีคุณสมบัติในการจัดโครงสร้างตัวเองใหม่ สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นกับพันธะโควาเลนต์และไอออนิก หากพันธะโคเวเลนต์แตกพันธะจะไม่ก่อตัวขึ้นใหม่ราวกับว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้น นอกจากนี้ประจุไฟฟ้าบนพันธะไอออนิกจะไม่เปลี่ยนแปลงเว้นแต่จะเกิดปฏิกิริยาทางเคมี

ลองพิจารณาตัวอย่างของปรอทโลหะเพื่ออธิบายประเด็นนี้

พันธะโลหะระหว่างอะตอมของปรอท 2 อะตอมที่อยู่ติดกันคือ Hg ··· Hg สามารถแตกและสร้างใหม่กับอะตอมอื่นที่อยู่ใกล้เคียงได้หากคริสตัลอยู่ภายใต้แรงภายนอกที่ทำให้เสียรูป

ดังนั้นพันธะจะถูกจัดโครงสร้างใหม่ในขณะที่กระจกเกิดการเสียรูป ทำให้โลหะมีคุณสมบัติในการเป็นวัสดุที่เหนียวและอ่อนตัวได้ มิฉะนั้นจะแตกเหมือนเศษแก้วหรือเซรามิกแม้ว่าจะร้อนก็ตาม

การนำความร้อนและไฟฟ้า

คุณสมบัติที่พันธะโลหะมีจากการมีอิเล็กตรอนแบบแยกส่วนทำให้โลหะมีความสามารถในการนำความร้อนและไฟฟ้า นั่นเป็นเพราะเนื่องจากอิเล็กตรอนมีการแยกสารและเคลื่อนที่ไปทุกหนทุกแห่งพวกมันจึงส่งการสั่นสะเทือนของอะตอมได้อย่างมีประสิทธิภาพราวกับว่ามันเป็นคลื่น การสั่นสะเทือนเหล่านี้แปลเป็นความร้อน

ในทางกลับกันเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช่องว่างจะถูกทิ้งไว้ให้คนอื่นครอบครองได้ดังนั้นจึงมีช่องว่างทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถ "วิ่ง" ได้มากกว่าและทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า

โดยหลักการแล้วหากไม่ได้กล่าวถึงทฤษฎีทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังปรากฏการณ์นี่คือคำอธิบายทั่วไปเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของโลหะ

ความมันวาวของโลหะ

อิเล็กตรอนแบบเคลื่อนที่และแบบเคลื่อนที่ยังสามารถโต้ตอบและปฏิเสธโฟตอนในแสงที่มองเห็นได้ ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นและพื้นผิวของโลหะมันสามารถแสดงเฉดสีเทาหรือเงินที่แตกต่างกันหรือแม้แต่ประกายสีรุ้ง กรณีพิเศษที่สุดคือทองแดงปรอทและทองซึ่งดูดซับโฟตอนของความถี่บางช่วง

Electron delocalization

เพื่อให้เข้าใจพันธะโลหะจำเป็นต้องเข้าใจว่าอิเล็กตรอนมีความหมายอย่างไร เป็นไปไม่ได้ที่จะระบุว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ใด อย่างไรก็ตามสามารถประมาณได้ว่ามีแนวโน้มจะพบในพื้นที่ใด ในพันธะโคเวเลนต์ AB อิเล็กตรอนคู่นี้จะกระจายอยู่ในช่องว่างที่แยกอะตอม A และ B จากนั้นกล่าวกันว่าตั้งอยู่ระหว่าง A และ B

อย่างไรก็ตามในพันธะโลหะ AB ไม่สามารถกล่าวได้ว่าอิเล็กตรอนทำงานในลักษณะเดียวกับพันธะโคเวเลนต์ AB พวกมันไม่ได้อยู่ระหว่างอะตอมเฉพาะสองอะตอมของ A และ B แต่จะกระจายหรือนำไปยังส่วนอื่น ๆ ของของแข็งซึ่งมีการบดอัดเช่นกันนั่นคืออะตอมของ A และ B ที่ถูกผูกมัดอย่างใกล้ชิด

เมื่อเป็นเช่นนี้อิเล็กตรอนของพันธะโลหะจึงถูกกล่าวว่าเป็นแบบ delocalized: พวกมันเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดก็ได้ที่มีอะตอมของ A และ B ดังที่แสดงในภาพแรกพร้อมกับอะตอมของทองแดงและอิเล็กตรอน

ดังนั้นในพันธะโลหะเราจึงพูดถึงการแยกตัวของอิเล็กตรอนเหล่านี้และคุณสมบัตินี้มีผลต่อคุณสมบัติหลายประการที่โลหะมี ทฤษฎีของทะเลแห่งอิเล็กตรอนก็มีพื้นฐานมาจากมันเช่นกัน

ตัวอย่างของพันธะโลหะ

ลิงค์โลหะที่ใช้กันทั่วไปในชีวิตประจำวันมีดังนี้:

- องค์ประกอบโลหะ

สังกะสี

พันธะโลหะในสังกะสี

ในสังกะสีโลหะทรานซิชันอะตอมของมันเชื่อมโยงกันด้วยพันธะโลหะ

ทอง (Au)

ทองคำบริสุทธิ์เช่นเดียวกับโลหะผสมของวัสดุที่มีทองแดงและเงินในปัจจุบันมีการใช้อย่างมากในเครื่องประดับชั้นดี

ทองแดง (Cu)

โลหะนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานไฟฟ้าเนื่องจากคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

เงิน (Ag)

ด้วยคุณสมบัติของมันโลหะนี้จึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในงานเครื่องประดับชั้นดีและในสาขาอุตสาหกรรม

นิกเกิล (Ni)

ในสภาพบริสุทธิ์มักใช้สำหรับการผลิตเหรียญแบตเตอรี่โรงหล่อหรือชิ้นส่วนโลหะต่างๆ

แคดเมียม (Cd)

เป็นวัสดุที่มีพิษร้ายแรงและใช้ในการผลิตแบตเตอรี่

แพลตตินั่ม (Pt)

ใช้ในเครื่องประดับชั้นดี (โลหะผสมที่มีทอง) และในการผลิตเครื่องมือวัดในห้องปฏิบัติการและรากฟันเทียม

ไทเทเนียม (Ti)

โลหะชนิดนี้มักใช้ในงานวิศวกรรมเช่นเดียวกับในการผลิตรากเทียมสังเคราะห์กระดูกการใช้งานในอุตสาหกรรมและเครื่องประดับ

ตะกั่ว (Pb)

วัสดุนี้ใช้ในการผลิตตัวนำไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเสื้อนอกของสายโทรศัพท์และสายโทรคมนาคม

- สารประกอบโลหะ

เหล็กทั่วไป

ปฏิกิริยาของเหล็กกับคาร์บอนก่อให้เกิดเหล็กกล้าทั่วไปซึ่งเป็นวัสดุที่ทนต่อความเครียดเชิงกลได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับเหล็ก

เหล็กกล้าไร้สนิม

รูปแบบของวัสดุข้างต้นสามารถพบได้โดยการรวมเหล็กทั่วไปกับโลหะทรานซิชันเช่นโครเมียมและนิกเกิล

บรอนซ์

ผลิตโดยการผสมทองแดงกับดีบุกในสัดส่วนประมาณ 88% และ 12% ตามลำดับ ใช้ในการทำเหรียญเครื่องมือและเครื่องประดับสาธารณะ

โลหะผสมของปรอท

โลหะผสมต่างๆของปรอทกับโลหะทรานซิชันอื่น ๆ เช่นเงินทองแดงและสังกะสีทำให้เกิดอะมัลกัมที่ใช้ในทางทันตกรรม

โลหะผสมโครเมียมทองคำขาว

โลหะผสมชนิดนี้นิยมใช้ทำใบมีดโกน

Pieltre

โลหะผสมดีบุกพลวงซองและบิสมัทนี้นิยมใช้ทำเครื่องใช้ในครัวเรือน

ทองเหลือง

สร้างโดยการรวมทองแดงกับสังกะสีในสัดส่วน 67% และ 33% ตามลำดับ ใช้ในการผลิตอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์

ทฤษฎีทะเลอิเล็กตรอน

การแสดงทะเลอิเล็กตรอนอย่างง่าย ที่มา: Muskid

ภาพด้านบนแสดงให้เห็นถึงแนวคิดของทะเลอิเล็กตรอน ตามทฤษฎีทะเลแห่งอิเล็กตรอนอะตอมของโลหะจะหลั่งเวเลนซ์อิเล็กตรอน (ประจุลบ) ให้กลายเป็นไอออนของอะตอม (ประจุบวก) อิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของทะเลที่ซึ่งพวกมันถูกกำหนดให้เป็นศูนย์กลางสำหรับแต่ละนิ้วของคริสตัลโลหะ

อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้หมายความว่าโลหะประกอบด้วยไอออน อะตอมของมันเป็นกลางจริง เราไม่ได้พูดถึงไอออนของ Hg ⁺ในปรอทเหลว แต่เป็นอะตอมของ Hg ที่เป็นกลาง

อีกวิธีหนึ่งในการมองเห็นทะเลของอิเล็กตรอนคือการสมมติความเป็นกลางของอะตอม ดังนั้นแม้ว่าพวกมันจะให้อิเล็กตรอนเพื่อกำหนดพันธะโลหะที่ทำให้พวกมันเหนียวแน่น แต่พวกมันก็ยังได้รับอิเล็กตรอนอื่น ๆ จากบริเวณอื่น ๆ ของคริสตัลทันทีเพื่อที่พวกมันจะไม่ได้รับประจุบวก

ทฤษฎีนี้อธิบายว่าเหตุใดโลหะจึงมีความเหนียวยืดหยุ่นได้และวิธีการจัดเรียงพันธะใหม่เพื่อให้ผลึกเสียรูปโดยไม่แตกหัก บางคนเรียกทะเลอิเล็กตรอนนี้ว่า "ซีเมนต์อิเล็กทรอนิกส์" เนื่องจากสามารถเคลื่อนที่ได้ แต่ภายใต้สภาวะปกติมันจะแข็งตัวและทำให้อะตอมของโลหะคงที่และคงที่

อ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้
2. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
3. วิกิพีเดีย (2020) พันธะโลหะ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
4. บรรณาธิการของสารานุกรมบริแทนนิกา (4 เมษายน 2559). พันธะโลหะ สารานุกรมบริแทนนิกา. ดึงมาจาก: britannica.com
5. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (29 มกราคม 2563). พันธะโลหะ: คำจำกัดความคุณสมบัติและตัวอย่าง ดึงมาจาก: thoughtco.com
6. จิมคลาร์ก (29 กันยายน 2562). พันธะโลหะ เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
7. แมรี่เอลเลนเอลลิส (2020) พันธะโลหะคืออะไร? - นิยามคุณสมบัติและตัวอย่าง ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com