บทที่ 2 พื้นฐานเคมีในโลหะวิทยา

     

      โลหะจะมีส่วนประกอบทางด้านเคมีอยู่ด้วย ก่อนที่จะได้ศึกษาถึงหลักการสำคัญ และส่วนต่าง ๆ ทางด้านกายภาพ คุณจะต้องทำความเข้าใจสิ่งที่อยู่ภายในโลหะ และที่เกิดขึ้นจริงภายในผลึกของโลหะ

     

      การศึกษาการทำงานภายในของโลหะ เป็นสิ่งที่น่าสนใจอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เหล็กเหนียว จะพบคาร์บอน (Carbon) เป็นส่วนผสมภายในเนื้อเหล็กเหนียว คาร์บอนละลายอยู่ภายในเหล็ก การเข้าใจถึงธรรมชาติของการทำละลายระหว่างเหล็ก และคาร์บอน เป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญในการทำความเข้าใจในโลหะวิทยา      

 

2.1 โครงสร้างพื้นฐานของสสาร

 

       ในการทำความเข้าใจทางด้านโลหะวิทยา คุณจะต้องเริ่มทำความเข้าใจในส่วนประกอบทางด้านเคมีของ สสาร (Matter) เสียก่อน ส่วนที่เล็กที่สุดของสสารก็คือ อะตอม (Atom) ภายในของอะตอมจะประกอบไปด้วย โปรตอน (Protons), นิวตรอน (Neutrons) และอิเล็กตรอน (Electrons)

 

อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด และเป็นส่วนประกอบหนึ่งของ ธาตุ (Element) ธาตุตั้งแต่สองธาตุขึ้นไปรวมกันจะเป็น สารประกอบ (Compounds) รูปแบบสารละลายธาตุ, สารประกอบ และสารผสม (Mixtures) เราสามารถพบเห็นได้ในชีวิตประจำวันตลอดเวลา

 

2.2 อะตอม

 

      ถ้าเอาชิ้นวัตถุชิ้นหนึ่ง มาตัดแบ่งครึ่ง ครึ่งหนึ่งที่แบ่งก็มาตัดแบ่งครึ่งอีก อีกครึ่งหนึ่งที่แบ่งก็ผ่าแบ่งครึ่งอีก ทำเช่นนี้เรื่อยไป จนมันเล็กลงเรื่อย ๆ ผ่าแบ่งครึ่งจนไม่สามารถตัดแบ่งได้อีกต่อไป จนไม่สามารถแยกแบ่งออกได้อีก ใช้กล้องส่องจุลทรรศน์ (Microscope) ส่องดูเล็กไปจนถึงขอบเขตจุดสิ้นสุด ส่วนนี้นักวิทยาศาสตร์เรียกกันว่า อะตอม ซึ่งเป็นส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุ และนั่นเป็นคุณสมบัติทั้งหมดของธาตุ ดังนั้นอะตอมจึงมีความหมายถึง “สิ่งซึ่งไม่สามารถแบ่งได้อีก (Indivisible)”

 

รูปจำลองของอะตอม

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

 

วิดีโอแสดงโครงสร้างของอะตอม

 

รูปของนีลส์ บอร์

 

ประวัติของนีลส์ บอร์

 

       นีลส์ บอร์ (Niel Bohr) เป็นผู้คิดค้นทฤษฏีอะตอมสมัยใหม่ ซึ่งเป็นที่ยอมรับร่วมกันทางสากล ถึงโครงสร้างของอะตอม อะตอมถูกสร้างขึ้นจากอนุภาคสามชนิด ซึ่งแต่ละชนิดมีความแตกต่างในประจุไฟฟ้า อันได้แก่ โปรตอน มีประจุเป็นบวก, นิวตรอน ไม่มีประจุ หรือเป็นกลาง และอิเล็กตรอน มีประจุเป็นลบ อะตอมที่ไม่มีประจุ และมีจำนวนตัวเลขที่เท่ากันของโปรตอน กับอิเล็กตรอน จึงไม่มีเครื่องหมายของประจุ ส่วนอะตอมที่มีตัวเลขที่ไม่เท่ากันของโปรตอน และอิเล็กตรอน เรียกว่า ไอออน (Ions)

 

รูปของอะตอมที่ต้องแสดงประจุไฟฟ้าบวก และลบ

 

      โปรตอน และนิวตรอนจะอาศัยอยู่ใน นิวเคลียส(Nucleus) ของอะตอม โดยมีอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบ ดูรูปด้านล่าง อาจจะมีวงแหวนของอิเล็กตรอนวงเดียว หรือหลายวง ตามแต่ละชนิดของธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนอยู่

 

รูปส่วนประกอบอะตอม ที่ประกอบไปด้วย โปรตอน และนิวตรอนที่อยู่ภายในนิวเคลียส และมีอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบ

 

วงแหวนชั้นแรก ประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนมากกว่าสองตัวขึ้นไป วงแหวนวงที่สองสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้มากถึงแปดตัว วงแหวนชั้นที่สาม และวงแหวนชั้นต่อ ๆ ไป จะมีอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นไปจนถึงจำนวนอิเล็กตรอนสิบแปดตัว

 

2.3 ธาตุ

 

      ธาตุ (Element) เป็นสสารบริสุทธิ์ เป็นวัสดุเชิงเดี่ยว เป็นวัสดุอย่างง่าย โดยคุณไม่สามารถแบ่ง หรือแยกออกเป็นธาตุอื่นอีกแล้ว อย่างไรก็ตาม ถ้าให้ความร้อน, ความเย็น, การกระทำทางกล (Machine), ทำลาย, กดอัด, หรือทำอย่างอื่น ๆ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงในธาตุเกิดขึ้น จะได้ศึกษารายละเอียดในบทต่อ ๆ ไป

 

ตารางธาตุ

เว็บไซต์ตารางธาตุ

 

      ธาตุในปัจจุบันทั้งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ และจากการสังเคราะห์ จนเป็นที่ยอมรับในทางสากลมีมากกว่า 100 ธาตุ รูปตารางธาตุด้านบน แสดงถึงตารางธาตุ ธาตุที่เราใช้ หรือพบเห็นบ่อย ๆ ก็ได้แก่ ไฮโดรเจน (Hydrogen), ฮีเลียม (Helium), คาร์บอน (Carbon), ไนโตรเจน (Nitrogen), ออกซิเจน (Oxygen), แมกนีเซียม (Magnesium), อลูมิเนียม (Aluminum), ซิลิกอน (Silicon), ฟอสฟอรัส (phosphorus), คลอรีน (Chlorine), อาร์กอน (Argon), ทอง (Gold), ตะกั่ว (Lead), ทองแดง (Copper), แมงกานีส (Manganese), เหล็ก (Ferrous), เงิน (Silver), กำมะถัน (Sulfur) ฯลฯ

       

 

      รายชื่อตารางธาตุในการเรียงลำดับตามจำนวนเลขอะตอม (Atomic number) ตัวเลขอะตอมเป็นตัวเลขของโปรตอนในอะตอมของธาตุ ตัวอย่าง คาร์บอน (C) มีตัวเลขอะตอมคือ 6 ดังนั้นอะตอมของคาร์บอนก็จะมีโปรตอน 6 ตัว

 

      ธาตุไฮโดรเจน (H) มีอิเล็กตรอนอยู่หนึ่งตัวเท่านั้น ไฮโดรเจนจึงมีหนึ่งอิเล็กตรอนในวงแหวนวงแรก และมีโปรตอนหนึ่งตัวในนิวเคลียส ฮีเลียม (He) มีอิเล็กตรอนอยู่สองตัว ลิเธียม (Lithium) มีอิเล็กตรอนอยู่สามตัว และเบรีลเลียม (Beryllium) มีอิเล็กตรอนอยู่สี่ตัว อิเล็กตรอนสองตัวแรกจะอยู่ในวงแหวนวงแรก และอิเล็กตรอนตัวที่สามจะอยู่ในวงแหวนวงที่สอง แผนผังของอะตอมนี้

 

รูปอะตอมของธาตุไฮโดรเจน, ฮีเลียม, ลิเธียม และเบรีลเลียม ที่มีอิเล็กตรอนต่างกัน

 

ณ อุณหภูมิห้อง ธาตุจำนวนมากเป็นของแข็ง ตัวอย่างที่เห็นก็คือ ทอง, เหล็ก และตะกั่ว ธาตุที่เป็นแก๊ส เช่น ออกซิเจน และไนโตรเจน ของเหลวมีเล็กน้อยเช่น ปรอท (Mercury) และโบรมีน (Bromine)

 

      โลหะเป็นธาตุที่มีคุณสมบัติหลายอย่างได้แก่:

· ความสามารถในการนำไฟฟ้า

· ความสามารถในการนำความร้อน

· มีความแข็ง

· มีความหนาแน่นสูง

· วัตถุที่ไม่โปร่งแสง