บทท 7

ธาตเรพรเซนเตตฟ

ธาตพรเซนแตตฟ ไดแก ธาตทาเวเลนซอเลกตรอนบรรจในออรบทล s และ p โดยทในออรบทล d และ f อาจจะไมมอเลกตรอนอยเลย หรอมบรรจอยเตมหมดแลว ไดแก ธาตหม IA และ II ซงอยในกลม s และหม IIIA, IVA, VA, VIIA รวมทงหม O ซงอยในกลม P

สำาหรบธาตหม IIB ไดแก Zn, Cd และ Hg ซงมการจดเวเลนซอเลกตรอนแบบ (n-1)d10 ns2 นน ควรจะจดเปนธาตเรพรเซนแตตฟดวย แตเนองจากธาตหมนมสมบตอยระหวางธาตแทรนซชนและธาตเรพรเซนแตตฟทวไป จงจะกลาวถงธาตหมนในบทท 8 เรองธาตแทรนซชนตอไป

ธาตเรพรเซนเตตฟ จำาแนกออกเปนโลหะ อโลหะ และกงโลหะตามแนวโนมการเปลยนแปลงสมบตของธาตในตารางธาต ดงรปท 7.1

IA OH IIA IIIA IVA VA VIA VIIA HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr In Sn Sb Te I XeCs Ba Tl Pb Bi Po At RnFr Ra

รปท 7.1 ธาตพรเซนเตตฟ เสนหนาแสดงการแบงโลหะกบอโลหะ

ธาตตดกบเสนหนาเปนกงโลหะ

1

ประมาณรอยละ 80 ของธาตพรเซนเตตฟทงหมดมสภาพเปนโลหะ ดงนคาบท 2 ม 2 ธาต คอ Li และ Beคาบท 3 ม 3 ธาต คอ Na, Mg และ Alคาบท 4 ม 13 ธาต คอตงแต K ไปจนถง Gaคาบท 5 ม 14 ธาต คอตงแต Rb ไปจนถง Snคาบท 6 ม 19 ธาต คอตงแต Cs ไปจนถง Luคาบท 7 ม 19 ธาต คอตงแต Fr ไปจนถง Lr

7.1 การจำาแนกประเภทของโลหะ

จำาแนกประเภทตามลกษณะโครงแบบอเลกตรอนจะไดเปน 2 ประเภท คอ

1.โลหะเรพรเซนเตตฟ มเวเลนซอเลกตรอนอยในระดบพลงงานเดยว โลหะทมเวเลนซอเลกตรอน

เปน 1 และ 2 มเลขออกซเดชนคาเดยว เชน Na = +1, Mg = +2, Ca = +2 สำาหรบโลหะทมเวเลนซอเลกตรอนมากกวา 2 มเลขออกซเดชนสองคา เชน Pb = +2 และ +4 Sn = +2 และ +4, Bi =+3 และ +5 ยกเวน Al โลหะประเภทนอยในหม A

2.โลหะแทรนซชน มเวเลนซอ เล กตรอนอยในระดบพลงงานมากกวา 1 ระดบ โลหะประเภทนมเลข

ออกซเดชนหลายคา เชน Mn มโครงแบบอเลกตรอนเปนดงน ls2 2s2

2p6 3s2 3p6 3d5 4s2 ม 2 อเลกตรอนใน 4s และ 5 อเลกตรอนใน 3d

2

จงมเลขออกซเดชนเปน +1, +2, +3, +4, +5, +6 และ +7 ตามลำาดบโลหะประเภทนอยในหม B

7.2 สมบตของโลหะ

7.2.1 สมบตทางฟสกส มดงน1. ตหรอทบใหเปนแผนบาง ๆ ได (malleable) ตวอยาง

เชน ทองคำาทำาใหเปนแผนบางมากๆ ไดจนสามารถนำามาซอนกนไดถง 300,000 แผน โดยมความหนาเพยง 1 นวเทานน

2. ด งให เป นเสนเล ก ๆ ได (ductile) ต วอย างเช น แพลทนมสามารถดงใหเปนเสนเลกมาก ๆ

จนตาเปลาไมสามารถทจะมองเหนได3. มผวเปนมนแวววาว (luster) ตวอยางเชน ผวของโลหะ

ทองคำา เงน อลมเนยม และโครเมยม สำาหรบโลหะบางชนดอาจมองเหนไดไมชดเจนหรอมองเหนในระยะเวลาหนง เชน เหลกทตดใหม ๆ ตรงรอยตดจะมรอยวาวเหนไดชด แตเมอทงไวนานเขาความวาวนจะหมดไปไดเพราะมสารประกอบทเกดขนใหมคอสนมเหลกมาฉาบผวบรเวณผวบรเวณนน จงทำาใหมองเปนผวมนไดไมชด

4. เป นต วน ำาไฟฟา (electrical conductor) โดยทวไปโลหะสามารถนำาไฟฟาไดดกวาสาร

ละลายอเลกโทรไลต (electrolytic solution) ความเปนตวนำาไฟฟาของโลหะจะลดลงเมออณหภมเพมขน ในระหวางโลหะดวยกน เงน ทองแดง

3

ทองคำา และอลมเนยมจะนำาไฟฟาไดดทสด และรองลงมาตามลำาดบ คาการนำาไฟฟาของโลหะ ดงตารางท 7.1

5. การเป นตวน ำาความรอน (thermal conductor) เชนเดยวกนกบการนำาไฟฟา กลาวคอ

โลหะเปนตวนำาความรอนไดด (ดตารางท 71. ) แตความสามารถในการนำาความรอนจะลดลงเมออณหภมสงขน

ตารางท 71. แสดงคาการนำาไฟฟาและการนำาความรอนของโลหะบางชนด

โลหะ การนำาไฟฟา การนำาความรอน(µ)- 1 Cal cm- 1 s- 1 K - 1

Ag 0.63 1.01Cu 0.60 0.99Au 0.46 0.70Al 0.38 0.50Ti 0.31 -Ca 0.29 0.30Na 0.24 0.32Mg 0.22 0.38Rh 0.22 0.21Mn 0.20 -Mo 0.19 0.35Ir 0.19 0.14

4

W 0.18 0.40Be 0.17 0.38Zn 0.17 0.27K 0.16 0.23

Co 0.16 0.16

6. จดหลอมเหลวและจดเดอด (melting point and boiling point) จะสงดงตารางท 7.2, 7.3 และ 7.4

ตารางท 7.2 แสดงสมบตบางประการของโลหะแอลคาไล หรอโลหะหม IA

ธาตโครงแบบ พลงงานไอออ

ไนเซชนศกยไฟฟา

แบบรศม รศม จด

หลอม

จด ความหนา

ของอเลกตร

อน

(eV)

รดกชนมาตรฐาน

อะตอม

ไอออน

เหลว เดอด แนน

อนดบหนง

อนดบสอง

ท 250 C, E0 (V)

(A0) M 4, (A0)

0 C 0 C g cm -

3

3Li (He)2s1 5.39

75.6

0 -3.04

1.55

0.68

180

132

6

1

11Na (Ne)3s1 5.14

47.3

0 -2.71

1.90

0.98

97.8

0

883

0.97

19K (Ar)4s1 4.34

31.8

-2.92 1.3

1.33

63.7

756

0.87

5

0 3 0 37Rb (Kr)5s1

4.18

27.40

-2.93 2.48

1.48

38.9

0

688

1.53

55Cs (Xe)6s1 3.89

23.4

0 -2.92

2.67

1.67

28.6

0

690

1.90

ตารางท 7.3 แสดงสมบตบางประการของโลหะแอลคาไลนเอรท (IIA)

ธาตโครงแบบ พลงงานไอออ

ไนเซชนศกยไฟฟา

แบบรศม รศม จด

หลอม

จด ความหนา

ของอเลกตร

อน

(eV) รดกชน

มาตรฐานอะตอม

ไอออน

เหลว เดอด แนน

อนดบหนง

อนดบสอง

ท 250 C, E0 (V)

(A0) M24, (A0)

0 C 0 C g cm -

3

4Be (He)2s2 9.32 18.2 -1.70 1.1 0.30 128 150 1.8

6

1 2 0 05Mg (Ne)3s2 7.64 15.0

3-2.38 1.6

00.65 650 110

01.7

20Ca (Ar)4s2 6.11 11.87

-2.76 1.97

0.94 810 1300

1.6

38Sr (Kr)5s2 5.69 10.98

-2.89 2.15

1.10 800 1300

2.6

56Ba (Xe)6s2 5.21 9.95 -2.90 2.31

1.29 850 1500

3.5

88Ra (Rn)7s2 5.28 10.10

-2.92 - 1.52 960 1100

-

ตารางท 74. แสดงสมบตบางประการของธาตแทรนซชนแถวท 1

สมบต Se Ti V Cr Mn Fe Ce Ni Cu Zn

7

เลขเชงอะตอม

โครงแบบอเลกตรอน

รศมอะตอม (A0)

พลงงานไอออไนเซชน

อนดบ 1

อนดบ2

อนดบท3

E0

*เลขออกซเดชน

จดหลอมเหว (C0)

ความหนาแนน

(g cm-3)**การนำาไฟฟา

213d14s

2

1.61

6.4512.80

24.76-2.083

13792.99

-

223d24s

2

1.45

6.8213.58

27.49-1.632,3,4

16724.49

2

233d3

4s2

1.32

6.74

14.6529.31-

1.20

2,3,4,51710

5.96

3

243d44s

2

1.25

6.7716.50

30.96-0.912,3,6

19007.20

10

253d5

4s2

1.24

7.44

15.6433.67-

1.18

2,3,4,7124

47.20

2

263d64s

2

1.24

7.8716.18

30.65-0.442,3

15307.86

17

273d74s

2

1.25

7.8617.06

33.50-0.282,3

14958.90

24

283d84s

2

1.25

7.6418.17

35.17-0.252

14558.90

24

293d94s

2

1.28

7

7

3

2

0.2

9

3

6

8

3

+0.341,21.838.

3

0

3d104s2

1.33

9.3

9

1

7.9

6

3

9.7

2

-0.762

4197.1

8

9

2

9

7

4

2

7

* ถามเลขออกซเดชนหลายคาทอยตวทสด คอคาทพมพเปนตวเลขขดเสนได

** การนำาไฟฟา เทยบกบ Ag ซกำาหนดให = 100

722. . สมบตทางเคมทว ๆ ไป มดงน

1. การเกดไอออนบวก สมบตทางเคมทเดนชดหรอทเปนสมบตเฉพาะของโลหะคอ โลหะมแนวโนมทจะถกออกซไดสและเกดเปนไอออนบวก ซงสอดคลองกบคาพลงงานไอออไนเซชนตำาแสดงวาดลหะมแนวโนมทจะใหอเลกตรอนแกอะตอมอนแลวเปลยนเปนไอออนบวก

2. การเกดเบสกออกไซด ถาโลหะรวมกบออกซเจนจะเกดเปนเบสกออกไซด กลาวคอ เมอละลายในนำาจะมฤทธเปนดาง

3. โลหะสวนใหญมศกยไฟฟามาตรฐาน (E0) นอยกวาศนยหรอเปนลบ ซงแสดงวาโบหะเหลานสามารถเขาแทนท H ในสารละลายกรดได สมบตขอนสอดคลองกนกบคาพลงงานไอออไนเซชนซงมคาตำา แสดงวาโลหะมแนวโนมทจะใหอเลกตรอนเกดเปนไอออนบวก

ปฏกรยาเคมบางอยางของธาตตางๆ เปนดงตารางท 75.

9

ตารางท 75. ปฏกรยาบางอยางของธาต ๆ

ออกไซดถกรดวซดวยความรอน ออกไซดถกรดวซดวยไฮโดรเจน ออกไซดไมถกรดวซดวยไฮโดรเจน

Au Pt Mg Pd Ag Cu B As Sb H Pb Sn Ni Co Cd Fe Cr Zn Mn Al Mg Na Ca Sr Ba Kไมเกดออกไซดโดยทางตรง ทำาปฏกรยากบนำาเยนให H2

ทำาปฏกรยากบนำาเยนให H2

ทำาปฏกรยากบนำาเยนให H2

ทำาปฏกรยากบนำาเยนให H2

7.2.3 สมบตแมเหลก สมารถจำาแนกประเภทของโลหะตามสมบตแมเหลกไดเปน 4 ประเภทดงน

1. สารทมสมบตเปนไดอะแมกเนตก (diamagnetism) เปนสารทมอเลกตรอนภายในอะตอมอยเปนคโดยมทศทางตรงกนขามกน ถานำาสารนไปวางไวในสนามแมเหลก มนจะถกผลกโดยสนามแมเหลกทนำาไปวางแตถกเหนยวนำาไปในทศทางตรงกนขามกบสนามแมเหลกทเหนยวนำาตวอยางสารประเภทนไดแก Pb , Bi และ Cu เปนตน

10

2. สารทมสมบตเปนพาราแมกเนตก (paramagnetism) เปนสารทถกดดโดยสนามแมเหลกทนำาไปวาง สมบตนของสารเกดจากการทอะตอมของสารมอเลกตรอนเดยวอยใกลเคยงกน และอเลกตรอนเหลานมทศทางไปทางเดยวกน ตวอยางสารประเภทนได แก Cr , Mn และ OS เปนตน

3. สารทมสมบตเปนแฟรโรแมกเนตก (ferromagnetism) ถานำาสารประเภทนไปวางในสนามแมเหลกจะถกดดอยางแรง ทนเพราะอะตอมของสารดงกลาวมอเลกตรอนเดยวและอยเรยงกนเปนจำานวนมาก นอกจากนอเลกตรอนเหลานยงมทศทางไปทางเดยวกนดวย ตวอยางสารประเภทนไดแก Fe , Co , Ni และโลหะผสม เชน Cu2MnAl เปนตน

4. สารทมสมบตเปนแอนตเฟรโรแมกเนตก (anti-ferromagnetism) เปนสารทอะตอมตางๆ อยเรยงกนเชนเดยวกบสารทเปนเฟรโรแมกเนตก แตการจกเรยงตวเปนไปในลกษณะทหกลางแมกเนตกโมแมนตซงกนและกน จงทำาใหแมกเนตกโมเมนตลดลง

รปท 72. แสดงสมบตแมเหลกของธาตทอณหภมท 00 C

73. ทฤษฎทเกยวของกบพนธะโลหะ

11

โลหะมเวเลนซอเลกตรอนนอยเพยง 12, หรอ 3 เทานน แตมอะตอมใกลเคยงทมารวมสรางพนธะเปนจำานวนมากซงเรยกวาโลหะมคาเลขโคออรดเนชนสง กลาวคอสองในสาม ของโลหะทงหมดมอะตอมใกลเคยง

12 อะตอม เชน ทองแดง ไทเทเนยม และอะลมเนยมอกหนงในสาม ม 8 อะตอม เชน โพเทสเซยม ซเซยม และโครเมยม จงเปนไปไมไดทโลหะจะมการสรางพนธะแบบไอออนกหรอโคเวเลนต เพราะจำานวนอะตอมขางเคยงมเกนจำาตนวนเวเลนซอเลกตรอน นอกจากน สมบตของโลหะกแตกตางไปจากสารประกอบไอออนกและสารประกอบโคเวเลนต ดงเชนการนำาไฟฟา การนำาความรอนซงโลหะมสมบตขอน ในขณะทสารประกอบไอออนก (ยกเวนในสภาพทหลอมเหลวหรอเปนสารละลาย ) และสารประกอบโคเวเลนตไมม เพราะไมมอเลกตรอนอสระทเคลอนทไปมาได อกทงไมสามารถดงใหเปนเสนหรอตแผใหเปนแผนไดเหมอนโลหะ เนองจากพนธะโคเวเลนตมทศทางเฉพาะจงบดเบนไมได แมพนธะไอออนกไมมทศทาง แตประจทเหมอนกนอยใกลกนไมได ถาดงหรอทบโอกาสทไอออนทมประจชนดเดยวกนอยใกลกนยอมเกดขน ทำาใหแตกหรอหกได สำาหรบแรงแวนเดอรวาลสกออนเกนไปทจะมในโลหะซงแขงแกรง ขอสงเกตอกประเภทหนง คอ โลหะมพลงงานการแตกตวเปนไอออนตำา แสดงวาอเลกตรอนตดอยกบอะตอมไมแนนหนานก

ลกษณะของพนธะควรจะสอดคลองกนกบสมบตของโลหะ นนคอ เวเลนซอเลกตรอนตาจะไมยดอยกบอะตอมใดอะตอมหนงโดยเฉพาะ แตจะเคลอนทไปมา ทฤษฎทใชอธบายพนธะในโลหะทสำาคญ มดงน

1. ทฤษฎอเลกตรอนอสระ (Free Electron Theory)

2. ทฤษฎพนธะเวเลนซ (Valence Bond Theory)

3. ทฤษฎแถบพนธะ (Band Theory)

12

7.3.1 ทฤษฎอเลกตรอนอสระ

ทฤษฎนถอวาอะตอมของโลหะอยใกลชดกนทงในสภาพทเปนโลหะบรสทธและของผสมโดยอะตอมเหบานจะใหเวเลนซอเลกตรอนออกมา ดงนนอะตอมของโลหะจงเปลยนเปนอยในสภาพของไอออนบวก และมเวเลนซอเลกตรอนกระจายอยโดยรอบ อเลกตรอนเหลานเคลอนทไดอยางอสระดวยความเรวสงมาก ทำาใหดเสมอนไอออนบวกอยในหมอกอเลกตรอนกลมอเลกตรอนนถอวาเปนของสวนรวม แรงดงดดระหวางกลมอเลกตรอนกบกลมไอออนบวกทำาใหโลหะมความแขงแรง พนธะทเกดขนในลกษณะนเรยกวา พนธะโลหะ ดงรปท 73.

รปท 73. แสดงการเกดพนธะโลหะแคลเซยมตามทฤษฎอเลกตรอนอสระ

13

ทฤษฎนสามารถอธบายของโลหะไดหลายประการ ดงน

1. การเปนตวนำาไฟฟาทด อธบายไดวาเปนเพราะเวเลนซอเลกตรอนเคลอนทอยตลอดเวลา ไมอยประจำาอะตอมใดอะตอมหนง (delocalised)

2. การเปนตวนำาความรอนทด เนองจากการเคลอนทของเวเลนซอเลกตรอน เมอสมผสกน กจะถายพลงงานใหแกกน

3. การตใหเปนแผนหรอดงใหเปนเสน เปนเพราะไอออนบวกอยเรยงกนอยางเปนระเบยบเปนชนๆ เชอมกนดวยกลมเวเลนซอเลกตรอนเมอออกแรงทบหรอดงแตละชนของไอออนบวกกจะเลอนไปได ดงรปท 7 4

รปท 74. การเลอนไถลของไอออนบวกของโลหะ

4. การสะทอนแสงและมเงาแวววาว เกดจากเวเลนซอเลกตรอนของหลายๆ อะตอมอยชดตดกน ระดบพลงงานกจะอยใกลกน อเลกตรอนเหลานเคลอนทอยตลอดเวลา ยอมมการเปลยนระดบพลงงานในการนจะดดหรอคายพลงงานดวย กลาวคอ เมออเลกตรอนไดรบพลงงานเพมขนจะ

14

ขนไปอยในระดบพลงงานทสงขน หรอไปอยในสถานะกระตน ครนตกกลบมาอยในสถานะพนกจะคายพลงงานออก เปนเชนนตลอดเวลา ทำาใหเกดการสะทอนแสงและมเงาแวววาว ถาโลหะอยในลกษณะทเปนผงละเอยดมากจะมสดำาเนองจากการสะทอนแสงทกทศทางแลวเกดการแทรกสอด (intreference) กนขน

5. การเกดอทธพลเกยวกบไฟฟาและแสง อนเนองจากมพลงงานแสงมากระทบผวโลหะ แลวทำาใหอเลกตรอนของโลหะหลดออก ทฤษฎนอธบายไดวาเวเลนซอเลกตรอนทอสระเหลานนเคลอนทไปมาโดยรอบอยแลว ดงนน เมอมพลงงานแสงมากระทบกเทากบเปนการเพมพลงงานใหแกอเลกตรอนเปนอยางด ทำาใหอเลกตรอนเคลอนทหลดออกมาได

อยางไรกตาม ทฤษฎนยงมจดออน คอไมสามารถนำาไปใชอธบายในบางเรองทสำาคญได เชน สมบตแมเหลก

15