Chemistry: 3.4 พันธะโลหะ

3.4.1 การเกิดพันธะโลหะ

โลหะ สามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี มีลักษณะเป็นเงาและมีความวาวเมื่อถูกแสง นอกจากนี้ยังสามารถดึงเป็นเส้น ตีเป็นแผ่น    หรือบิดงอได้โดยไม่แตกหัก ซึ่งคุณสมบัติที่สำคัญเหล่านี้ก็เนื่องจากโลหะยึดกันด้วยพันธะชนิดหนึ่ง นั่นก็คือ พันธะโลหะ

     ทฤษฎีที่ใช้อธิบายพันธะโลหะ
   1. แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอน ( electron sea model )
   2. ทฤษฎีแถบพลังงาน ( band theory )
    1. แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอน ( electron sea model )

จากรูปแสดงลักษณะของพันธะโลหะ ทรงกลมสีเทาคือ ไอออนบวกของโลหะ ทรงกลมสีแดงที่เคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลานี้ คือ อิเล็กตรอน เรามักเรียกแบบจำลองของการเกิดพันธะโลหะนี้ว่า ทะเลอิเล็กตรอนเนื่องจากในผลึกของโลหะมีจำนวนอิเล็กตรอนมหาศาลที่ไหลไปมาได้อย่างอิสระตลอดเวลา

โลหะมีค่าพลังงานไออไนเซซันที่ต่ำ ดังนั้นจึงยึดอิเล็กตรอนวงนอกสุดไว้อย่างหลวมๆ ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่ไปมารอบๆโลหะตลอดเวลาเหมือนกับว่าไม่ได้เป็นอิเล็กตรอนของอะตอมตัวใดตัวหนึ่ง แต่เป็นเสมือนกับว่าเป็นของอะตอมทุกตัว (มีล้านๆอะตอมในผลึกโลหะ)

ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายซีเมนต์ ที่ช่วยยึดไอออนของโลหะที่มีประจุบวกให้อยู่ในตำแหน่งที่คงที่
การที่อิเล็กตรอนสามารถไหลไปมาในโลหะได้นี้ ทำให้โลหะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี (เมื่อมีสนามไฟฟ้ากระทำอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เข้าหาขั้วบวก) และการที่อิเล็กตรอนทำหน้าที่คล้ายซีเมนต์นี้ (cement effect) ทำให้โลหะแข็ง ผิวหน้าของโลหะเป็นมันวาวเนื่องจากโลหะสามารถดูดกลืน และคายพลังงานได้ในช่วงความยาวคลื่นที่ต่อเนื่องกัน ทั้งนี้เนื่องจากอิเล็กตรอนอยู่ไม่ประจำที่และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจึงสามารถมีพลังงานเท่าไหร่ก็ได้

2. ทฤษฎีแถบพลังงาน (band theory)
เมื่อออร์บิทัลอะตอมสองออร์บิทัลมารวมกันจะได้ออร์บิทัลโมเลกุลสองชนิดคือ ออร์บิทัลโมเลกุลแบบมีพันธะ (bonding molecular orbital) และออร์บิทัลโมเลกุลแบบต้านพันธะ (anti-bonding molecular orbital) ดังเช่นกรณีของ Li₂ (Li : 1s²2s¹) ซึ่งแสดงออร์บิทัลโมเลกุลที่ระดับ 2s ได้ดังนี้

เมื่อมีอะตอมมากขึ้นและจำนวนออร์บิทัลโมเลกุลมากขึ้น ระดับพลังงานจะใกล้ชิดกันมากขึ้นจนดูเหมือนว่าเป็นแถบต่อเนื่องกัน แถบดังกล่าวนี้ เรียกว่า แถบพลังงาน (energy band) ดังรูป

อิเล็กตรอนจะมีพลังงานค่าต่างๆได้ภายในแถบ หรือภายในแถบที่มีการซ้อนเหลื่อมกันเท่านั้น (กรณีที่ระดับพลังงานไม่ห่างกันมากแถบพลังงานสามารถซ้อนเหลื่อมกันได้) แถบพลังงานนี้เรียกว่า แถบอนุญาต (allowed band) สำหรับช่วงที่ว่างที่ไม่มีแถบพลังงานเรียกว่า ช่องต้องห้าม (forbidden gap)

3.4.2 สมบัติของโลหะ

ตัวนำไฟฟ้า กึ่งตัวนำ และฉนวน

เมื่อพิจารณากรณีของ สารตัวนำไฟฟ้า จะเห็นว่าแถบเวเลนซ์มีลักษณะเป็นแถบที่เต็มบางส่วนซึ่งก็คือ ในออร์บิทัลมีทั้งส่วนที่ว่างและส่วนที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ซึ่งลักษณะเช่นนี้ เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากสนามไฟฟ้า ก็จะสามารถเคลื่อนที่ไปอยู่ในส่วนที่ว่างของออร์บิทัลได้ทำให้โลหะนำไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม นอกจากโลหะจะมีแถบเวเลนซ์ที่มีลักษณะเป็นแถบที่เต็มบางส่วนแล้ว ยังสามารถมีแถบที่เต็มแล้วแต่สามารถเกิดการซ้อนเหลื่อม กับแถบนำไฟฟ้า(แถบที่ว่าง) ที่มีระดับพลังงานสูงกว่าแต่ใกล้เคียงกันได้จึงทำให้โลหะนำไฟฟ้าได้ หรือแม้แต่แถบที่เต็มบางส่วน ก็สามารถซ้อนเหลื่อมกับแถบนำไฟฟ้าที่มีระดับพลังงานสูงกว่าแต่ใกล้เคียงกันได้
กรณีของ สารกึ่งตัวนำไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์ (แถบที่เต็มแล้ว) ไม่สามารถเคลื่อนที่ไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้าได้เนื่องจากช่องต้องห้ามค่อนข้างกว้าง แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าทำการกระตุ้นอิเล็กตรอนโดยให้พลังงานที่สูงกว่าช่วงของช่องต้องห้าม เช่น ให้ความร้อน หรือฉายแสง อิเล็กตรอนก็จะสามารถเข้ามาอยู่ในแถบนำไฟฟ้าได้ ดังนั้นจึงสามารถนำไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปแล้วช่องต้องห้ามระหว่างแถบเวเลนซ์ และแถบนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำมักจะไม่กว้างนัก และโลหะกึ่งตัวนำมักจะเป็นตัวนำที่ดีเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

กรณีของ ฉนวน คล้ายๆกับกรณีของสารกึ่งตัวนำแต่ต่างกันตรงที่ว่า ช่วงว่างต้องห้ามมีความกว้างมากดังนั้นไม่ว่าจะให้พลังงานไฟฟ้า ความร้อน หรือ แสง แก่อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนก็ยังสามารถเข้ามาอยู่ในแถบตัวนำไฟฟ้าได้ ดังนั้นจึงมีคุณสมบัติเป็นฉนวน

เรโซแนนซ์ (resonance)

หมายถึงการสลับตำแหน่งของพันธะต่างชนิดที่เกิดขึ้นในโมเลกุลเดียวกัน โดยอะตอมของทุกธาตุในโมเลกุลอยู่ในตำแหน่งเดิม ทำให้เขียนสูตรโครงสร้างของสารชนิดเดียวกันได้หลายแบบ เช่น SO₂ SO₃ HCO₂^- NO₂^- , NO₃^- CO₃^2- C₆H₆ (benzene) O₃ แต่ละชนิดจะมีโครงสร้างโมเลกุลจากการเกิดเรโซแนนซ์ (resonance structures) ได้หลายแบบ ดังนี้

SO₂ เกิดเรโซแนนซ์ได้ 2 แบบ( 2 resonance structures) ดังนี้