โลหะนำไฟฟ้าได้อย่างไร

โลหะสามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี มีลักษณะเป็นเงาและมีความวาวเมื่อถูกแสง นอกจากนี้ยังสามารถดึงเป็นเส้น ตีเป็นแผ่น หรือบิดงอได้โดยไม่แตกหัก ซึ่งคุณสมบัติที่สำคัญเหล่านี้ก็เนื่องจากโลหะยึดกันด้วยพันธะชนิดหนึ่ง นั่นก็คือพันธะโลหะ

ทฤษฎีที่ใช้อธิบายพันธะโลหะ

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

1. แบบจำลองทะเลอิเล็กตรอน ( electron sea model )

เรามักเรียกแบบจำลองของการเกิดพันธะโลหะนี้ว่า ทะเลอิเล็กตรอนเนื่องจากในผลึกของโลหะมีจำนวนอิเล็กตรอนมหาศาลที่ไหลไปมาได้อย่างอิสระตลอดเวลา

แล้วทำไมอิเล็กตรอนในโลหะถึงเคลื่อนที่ได้ตลอดเวลา ?

โลหะมีค่าพลังงานไออไนเซซันที่ต่ำ ดังนั้นจึงยึดอิเล็กตรอนวงนอกสุดไว้อย่างหลวมๆ ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านี้เคลื่อนที่ไปมารอบๆโลหะตลอดเวลาเหมือนกับว่าไม่ได้เป็นอิเล็กตรอนของอะตอมตัวใดตัวหนึ่ง แต่เป็นเสมือนกับว่าเป็นของอะตอมทุกตัว (มีล้านๆอะตอมในผลึกโลหะ)

ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายซีเมนต์ ที่ช่วยยึดไอออนของโลหะที่มีประจุบวกให้อยู่ในตำแหน่งที่คงที่การที่อิเล็กตรอนสามารถไหลไปมาในโลหะได้นี้ทำให้โลหะมีคุณสมบัติเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี(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 เรียกว่าแถบพลังงาน (energy band)ดังรูป

อิเล็กตรอนจะมีพลังงานค่าต่างๆได้ภายในแถบ หรือภายในแถบที่มีการซ้อนเหลื่อมกันเท่านั้น (กรณีที่ระดับพลังงานไม่ห่างกันมากแถบพลังงานสามารถซ้อนเหลื่อมกันได้) แถบพลังงานนี้เรียกว่าแถบอนุญาต (allowed band)สำหรับช่วงที่ว่างที่ไม่มีแถบพลังงานเรียกว่าช่องต้องห้าม (forbidden gap) ดังรูป

ตัวนำไฟฟ้า กึ่งตัวนำ และฉนวน

เมื่อพิจารณากรณีของสารตัวนำไฟฟ้าจะเห็นว่าแถบเวเลนซ์มีลักษณะเป็นแถบที่เต็มบางส่วนซึ่งก็คือ ในออร์บิทัลมีทั้งส่วนที่ว่างและส่วนที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ซึ่งลักษณะเช่นนี้ เมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากสนามไฟฟ้า ก็จะสามารถเคลื่อนที่ไปอยู่ในส่วนที่ว่างของออร์บิทัลได้ทำให้โลหะนำไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม นอกจากโลหะจะมีแถบเวเลนซ์ที่มีลักษณะเป็นแถบที่เต็มบางส่วนแล้ว ยังสามารถมีแถบที่เต็มแล้วแต่สามารถเกิดการซ้อนเหลื่อม กับแถบนำไฟฟ้า(แถบที่ว่าง) ที่มีระดับพลังงานสูงกว่าแต่ใกล้เคียงกันได้จึงทำให้โลหะนำไฟฟ้าได้ หรือแม้แต่แถบที่เต็มบางส่วน ก็สามารถซ้อนเหลื่อมกับแถบนำไฟฟ้าที่มีระดับพลังงานสูงกว่าแต่ใกล้เคียงกันได้

กรณีของสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าเมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากสนามไฟฟ้า อิเล็กตรอนในแถบเวเลนซ์ (แถบที่เต็มแล้ว) ไม่สามารถเคลื่อนที่ไปอยู่ในแถบนำไฟฟ้าได้เนื่องจากช่องต้องห้ามค่อนข้างกว้าง แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าทำการกระตุ้นอิเล็กตรอนโดยให้พลังงานที่สูงกว่าช่วงของช่องต้องห้าม เช่น ให้ความร้อน หรือฉายแสง อิเล็กตรอนก็จะสามารถเข้ามาอยู่ในแถบนำไฟฟ้าได้ ดังนั้นจึงสามารถนำไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปแล้วช่องต้องห้ามระหว่างแถบเวเลนซ์ และแถบนำไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำมักจะไม่กว้างนัก และโลหะกึ่งตัวนำมักจะเป็นตัวนำที่ดีเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

สมบัติของโลหะ

- เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ดีเพราะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปได้ง่ายทั่วทั้งก้อนของโลหะ แต่โลหะนำไฟฟ้าได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากไอออนบวกมีการสั่นสะเทือนด้วยความถี่และช่วงกว้างที่สูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไม่สะดวก

- โลหะนำความร้อนได้ดีเพราะมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้โดยอิเล็กตรอนซึ่งอยู่ตรงตำแหน่งที่มีอุณหภูมิสูง จะมีพลังงานจลน์สูง และอิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์สูงจะเคลื่อนที่ไปยังส่วนอื่นของโลหะจึงสามารถถ่ายเทความร้อนให้แก่ส่วนอื่น ๆ ของแท่งโลหะที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าได้

- โลหะตีแผ่เป็นแผ่นหรือดึงออกเป็นเส้นได้เพราะไอออนบวกแต่ละไอออนอยู่ในสภาพเหมือนกันๆ กัน และได้รับแรงดึงดูดจากประจุลบเท่ากันทั้งแท่งโลหะ ไอออนบวกจึงเลื่อนไถลผ่านกันได้โดยไม่หลุดจากกัน เพราะมีกลุ่มขอองอิเล็กตรอนทำหน้าที่คอยยึดไอออนบวกเหล่านี้ไว้

- โลหะมีผิวเป็นมันวาวเพราะกลุ่มของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้โดยอิสระจะรับและกระจายแสงออกมา จึงทำให้ โลหะสามารถสะท้อนแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้

- โลหะมีจุดหลอมเหลวสูงเพราะพันธะในโลหะเป็นพันธะที่เกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างวาเลนซ์อิเล็กตรอนอิสระทั้งหมดในด้อนโลหะกับไอออนจึงเป็นพันธะที่แข็งแรงมาก

คุณสมบัติของโลหะ คือ ลักษณะเด่น, ความสามารถ, ลักษณะเฉพาะ, ความแข็งแกร่ง, ข้อดี, ข้อเสีย และลักษณะผิดปกติของวัสดุ สิ่งที่กล่าวมาเหล่านี้มีไว้เพื่อเปรียบเทียบถึงความแตกต่างของวัสดุในทางทางวิศวกรรม จำเป็นต้องทราบถึงคุณสมบัติของวัสดุ ก็เพื่อดูว่าวัสดุนั้น สามารถทนทานต่อแรงที่กระทำ, ทนทานต่อการพังทลาย, ทนทานต่อการเสียรูป, ทนทานต่อการกัดกร่อน หรืออื่น ๆ ได้หรือไม่

คุณสมบัติของโลหะ สามารถแบ่งออกได้ดังตารางที่ 4.1 ดังนี้

ตารางที่ 4.1 กลุ่มประเภทคุณสมบัติวัสดุทั่วไป

1. คุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) เช่น ความแข็งแกร่ง (Strength), ความแข็ง (Hardness)

2. คุณสมบัติความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น/ความเครียด เช่น โมดูลัสความยืดหยุ่น (Modulus of elasticity)

3. คุณสมบัติทางเคมี (Chemical properties) เช่น ความทนทานต่อการกัดกร่อน

4. คุณสมบัติทางไฟฟ้า (Electrical properties) เช่น ความต้านทานทางไฟฟ้า

5. คุณสมบัติทางความร้อน (Thermal properties) เช่น อุณหภูมิจุดหลอมเหลว

6. คุณสมบัติด้านอื่น ๆ เช่น ความหนาแน่น และความสึกหรอ (Wear)

4.1 คุณสมบัติทางกลความแข็ง, ความเหนียว (Ductility) และความแข็งแกร่ง เป็นคุณสมบัติขั้นพื้นฐานในทางกลของวิชาโลหะวิทยา

คุณสมบัติทั้งสามเหล่านี้จะมีความสัมพันธ์ที่เชื่อมโยงกันด้วย กล่าวคือ เมื่อความแข็ง และความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้น ความเหนียวจะลดลง ทำให้วัสดุนั้นมีแนวโน้มเป็น วัสดุเปราะ (Brittle) ในทางกลับกันวัสดุที่มีความเหนียวมาก จะทำให้ความแข็ง และความแข็งแกร่งลดลง

ความแข็งแกร่ง, ความแข็ง และความเหนียว ปกติแล้วเป็นสิ่งที่มีความต้องการที่จะให้เกิดขึ้นในโลหะ ส่วนความเปราะ (ตรงกันข้ามกับความเหนียว) เป็นสิ่งที่ไม่ต้องการให้เกิดในโลหะ ดังนั้น ในทางโลหะวิทยา ต้องทำการศึกษา ทดลอง เพื่อให้วัสดุมีความสามารถในด้านความแข็งแกร่ง ความแข็ง ที่เพิ่มขึ้น โดยไม่ทำให้ความเหนียวลดลง

4.1.2 ความแข็ง

ความแข็ง คือความต้านทานต่อการเสียรูปวัสดุอย่างถาวร วัสดุที่มีความแข็งสูง ค่าความแข็งแกร่งก็จะสูงตามไปด้วย ในการหลอมโลหะเมื่อเพิ่มส่วนผสมของธาตุลงไปในโลหะหลอมทำให้ความสามารถด้านความแข็ง และความแข็งแกร่งมีคุณภาพดีขึ้น และไม่ทำให้ความเหนียวลดลง

ความแข็ง (Hardness) เป็นคุณสมบัติที่มีสำคัญของโลหะ เป็นการยากที่จะให้คำอธิบายได้อย่างชัดเจน แต่ความหมายที่สามารถบอกได้ดีที่สุดก็คือ ความแข็ง คือ การต้านทานต่อการเสียรูปของวัสดุ หรือ ความต้านทานต่อการกระทำต่อวัสดุ เมื่อวัสดุสูญเสียความต้านทาน ก็จะก่อให้เกิด ความเสียหาย (Damaged), รอยบุ๋ม (Dent), ความเสื่อม หรือความทรุดโทรมอื่น ๆ ซึ่งเป็นผลที่ได้จากแรง หรือความกดดันที่กระทำต่อวัสดุนั้น ในความต้องการที่จะรู้ค่าความแข็งของวัสดุ จำเป็นต้องหาเครื่องมือมาวัด เครื่องมือนี้จะสร้างรอยกดบุ๋มเป็นจุด บนพื้นผิว ด้วยแรงกดที่กระทำบนพื้นผิววัสดุที่ต้องการทราบความแข็ง ดูที่รูป แสดงตัวอย่างรอยบุ๋มบนวัสดุ

ความแข็ง คือคุณสมบัติของโลหะ ที่มีความสำคัญต่อวัสดุ ซึ่งมีการเกี่ยวพันกับคุณสมบัติอื่น ๆ ของโลหะด้วย เช่นความแข็งแกร่ง (Strength),ความเปราะ (Brittleness)และความสามารถในการยืดตัว (Ductility)ในการวัดความแข็งของโลหะนั้น จะเป็นการวัดความแข็งแกร่ง, ความเปราะ และยืดเป็นแผ่นของโลหะ โดยทางอ้อมโดยทราบจากการทดลอง แล้วนำมาคำนวณหาคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกันได้

ประโยชน์ที่ได้จากการทราบค่าความแข็งของโลหะมีมากมาย อาทิเช่น

• เลือกวัสดุให้เหมาะสมกับงานที่ทำ ดูว่าวัสดุนั้นมีความแข็งพอที่จะนำมาสร้างได้หรือไม่
• รู้ค่าความแข็งเพื่อสร้างชิ้นงานที่ต้องการออกแบบให้พังก่อน อีกชิ้นหนึ่ง (ไม่ได้กล่าวรายละเอียดในที่นี้ จะพบในเรื่องของการออกแบบสร้างเครื่องกล)
• รู้ถึงความทนทานของวัสดุที่นำมาทำ ซึ่งสามารถคำนวณอายุการใช้งานได้
• ฯลฯ

การวัดความแข็ง

มีวิธีการมากมายที่นำมาใช้วัดความแข็งของโลหะ แต่ในหนังสือเล่มนี้จะกล่าวถึงวิธีการวัดความแข็งสองวิธีที่ได้รับความนิยม ได้แก่วัดความแข็งโดยการกดเป็นรอย (Penetration hardness)และวัดความแข็งโดยการสร้างรอยขีดข่วน (Scratch hardness)

วัดความแข็งโดยการกดเป็นรอยเป็นเทคนิคการวัดที่มีความแม่นยำมากที่สุด ในการใช้เครื่องทดสอบเป็นตัววัด ตัวเครื่องกดนี้ใช้แรงในการกดชิ้นโลหะให้เกิดรอยบุ๋มลงไปในเนื้อโลหะ และทำการวัดขนาดรอยกด และแรงที่ใช้กด แล้วนำมาคำนวณเพื่อหาค่าความความแข็งของโลหะ

วัดความแข็งโดยการสร้างรอยขีดข่วน เป็นการวัดแบบรวดเร็ว และหยาบ ชิ้นงานโลหะที่ใช้วิธีนี้หาค่าความแข็ง โดยใช้ของมีคมที่มีความแข็งกว่าชิ้นงานตัวอย่าง มาขีดบนชิ้นงานให้เกิดรอยขีดข่วน การวัดแบบนี้จะไม่มีค่าออกมาเป็นตัวเลข แต่จะใช้ความรู้ และประสบการณ์ เพื่อตัดสินว่าชิ้นงานนั้นเป็นชิ้นงานที่ “แข็ง” หรือ “อ่อน” ซึ่งขึ้นอยู่กับผลของรอยขีดข่วน

การทดสอบวัดความแข็งโดยการกดเป็นรอย เมื่อเปรียบเทียบกับ การวัดความแข็งโดยการสร้างรอยขีดข่วน วิธีการแรกให้ความแม่นยำได้สูงกว่า แต่ก็มีราคาแพงกว่า ในอุตสาหกรรมส่วนมากจะใช้วิธีการแรกโดยการกดลงบนชิ้นงานมากกว่า

4.1.3 ความเหนียว และความเปราะ

ความเหนียว และความเปราะจะเป็นปฏิปักษ์ต่อกัน ตรงกันข้ามกันเสมอ คุณสมบัติของทั้งคู่จะถูกนำมาศึกษาในการเรียนรู้เกี่ยวกับความเหนียวของวัสดุถ้าวัสดุทดสอบสามารถยืดได้ค่อนข้างมากก่อนที่มันจะขาดออกจากกัน เราเรียกว่าวัสดุนั้นมีความเหนียวในทางกลับกันถ้าวัสดุมีการยืดตัวได้น้อย และขาดออกจากกัน แสดงถึงวัสดุนั้นมีความเปราะหรือมีความเหนียวน้อย

ในการผลิตโลหะออกมาใช้งานเกือบทั้งหมด เราต้องการคุณสมบัติความเหนียวของโลหะมากกว่าความเปราะ วัสดุที่เหนียวสามารถทนทานต่อการกระแทกที่หนักได้ดีกว่า และสามารถซึมซับพลังงานก่อนที่จะเกิดความเสียหายได้มากกว่าวัสดุที่มีความเปราะ วัสดุที่มีความเปราะปกติแล้วจะมีความแข็งแกร่งกว่าวัสดุเหนียว แต่ในปัจจุบันก็ไม่เสมอไป เมื่อเทคโนโลยีทางด้านโลหะวิทยามีมากขึ้น วัสดุเหนียวก็ถูกผลิตมาให้มีความทนทานต่อการยืดตัว (แข็งแกร่ง) ที่สูงกว่า

ตัวอย่างของวัสดุเหนียว เช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ, อลูมิเนียม, ยาง ส่วนตัวอย่างของวัสดุเปราะเช่น เหล็กหล่อ, แก้ว

โลหะหนัก - โลหะเบา

โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก

นอกจากโลหะที่เป็นเหล็กซึ่งมีความสำคัญในงานช่างอุตสาหกรรมแล้วยังมีโลหะที่ไม่ใช่เหล็กที่มีความสำคัญในงานช่างอุตสาหกรรมเช่นเดียวกันอีก โลหะที่ไม่ใช่เหล็กนี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ ด้วยกันคือ

1.โลหะหนัก

2.โลหะเบา

โลหะหนัก หมายถึงโลหะที่มีความหนาแน่นตั้งแต่ 4 กรับ/ซม ขึ้นไปโลหะหนักที่มีใช้ในงานอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวางได้แก่

ทองแดง (COPPER)

-สัญญลักษณ์Cu

-ความหนาแน่น8.93 กรับ/ซม

-จุดหลอมเหลว 1070-1093 องศาเซลเซียส

ทองแดงบริสุทธิ์มีลักษณะอ่อนเหนียวเมื่อทิ้งไว้ในอากาศนาน ๆ จะเกิดออกไซด์สีเขียวมีชื่อว่า พาทินา เป็นสารพิษเมื่อรับประทานแล้วจะเกิดอัตราย ข้อดีของพาทินาคือเป็นตัวช่วยให้ทองแดงทนต่อลมฟ้าอากาศได้ดี การนำทองแดงมาใช้งานนั้นทำได้ 2 ลักษณะคือ

-นำไปรีดทองแดงสามารถนำไปรีดเป็นแผ่นเป็นเส้น เป็นท่อ ซึ่งมีคุณสมบัติเหนียวยืดตัวได้ดี ทองแดงที่รีดที่อุณหภูมิประมาณ 800-900 องศาเซลเซียส สามารถรีดได้เป็นแผ่นบางถึง 0.01 มม. ถ้าเป็นเส้นลวดรีดได้ 0.02 มม. ถ้านำทองแดงไปรีดเย็นจะทำให้ทองแดงแข็งและเปราะ

-นำไปหล่อทองแดงสามารถนำไปหล่อให้เป็นรูปร่างต่าง ๆ ตามต้องการ

ประโยชน์ของทองแดง

ใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น สานไฟฟ้า หัวแร้งบัดกรี ท่อส่งน้ำยาในเครื่องทำความเย็นใช้ในงานเชื่อมประสานและภาชนะใส่ของต่าง ๆ และยังใช้เป็นทองแดงประสมเพื่อเพิ่มคุณสมบัติเด่นของทองแดงในโลหะประสมต่าง ๆ ตัวอย่าง เช่น

1.ทองเหลืองเป็นโลหะประสมที่เกิดจากทองแดงกับสังกะสีทองเหลืองมีคุณสมบัติในด้านทนต่อการกัดกร่อนได้ดีงานต่อการแปรรูปต่าง ๆ ประโยชน์ของทาองเหลืองได้แก่ใช้ทำทุ่นอาเมเจอร์ ชิ้นส่วนเครื่องมือกล ชิ้นส่วนนาฬิกา อุปกรณ์ไฟฟ้า ท่อส่ง น้ำมันในเครื่องยนต์ ฯลฯ

2.บรอนซ์เป็นโลหะประสมที่เกิดจากทองแดงกับดีบุกมีความแข็งแรงความเหนียว ทนต่อการกัดกร่อนได้สูง ประโยชน์ใช้ทำ สปริง แปรงลวด สะพานไฟ เฟือง ฯลฯ

สังกะสี (ZINC)

-สัญญลักษณ์Zn

-ความหนาแน่น 7.14 กรัม/ซม

-จุดหลอมเหลว 420 องศาเซลเซียส

สังกะสีเป็นโลหะที่มีเกรนหยาบและเปราะมีอัตราการขยายตัวสูงเมื่อได้รับความร้อนทนต่อกรดและเกลือรีดเป็นแผ่นและดึงเป็นเส้นได้ง่าย

ประโยชน์ของสังกะสี

สังกะสีถ้านำมาขึ้นรูปในขณะยังเย็นตัว จะทำให้สังกะสีเปราะและหักง่ายการรีดต้องใช้อุณหภูมิประมาณ 90-160 องศาเซลเซียส ในการพับสังกะสีต้องพับขวางกับทิศทางของการรีดเพื่อป้องกันการปริหัก อุณหภูมิที่ใช้ในการพับอยู่ระหว่าง 80-100 องศาเซลเซียส ถ้าอุณหภูมิเกิด 200 องศาเซลเซียส ในการรีดจะทำให้สังกะสีกรอบ

สังกะสีส่วนมากจะใช้เป็นโลหะเคลือบผิวเหล็ก เช่น เหล็กแผ่นอาบสังกะสีมุงหลังคา ลวด ท่อประปร ยังใช้เป็นขั้วลบในแบตเตอรี่ใช้ทำสี ทำชิ้นส่วนของรถยนต์ท่อเครื่องปรับอากาศ ฯลฯ

ตะกั่ว (LEAD)

-สัญลักษณ์Pb

-ความหนาแน่น11.36กรับ/ซม

-จุดหลอมเหลว327องศาเซลเซียส

ตะกั่วเป็นโลหะที่เนื้ออ่อน ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี สารตะกั่วหรือไอของตะกั่ว หากสัมผัสหรือสูดไอตะกั่วเข้าในร่างกายมากจะเกิดอันตรายต่อร่างกาย ดังนั้นการทำงานที่เกี่ยวข้องกับตะกั่วจะต้องให้ความระมัดระวัง ต้องทำความเข้าใจและสนใจเป็นพิเศษ

ประโยชน์ของตะกั่ว

ตะกั่วถูกนำมาใช้งานในวงการอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวางในชีวิตประจำวันก็ได้นำตะกั่วมาใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น แผ่นธาตุในแบตเตอรี่รถยนต์ เปลือกหุ้มสายเคเบิลและโทรศัพท์เป็นส่วนประสมในน้ำมันเบนซิน ตะกั่วบัดกรี ตัวพิมพ์ ลูกปืน ฟิวส์ไฟฟ้า ทำผนังกันรังสีต่าง ๆ

ดีบุก

-สัญลักษณ์Sn

-ความหนาแน่น 7.28 กรับ/ซม

-จุดหลอมเหลว 232 องศาเซลเซียส

ประเทศไทยนับได้ว่าเป็นประเทศที่มีดีบุกเป็นอันดับ 3 ของโลก ดีบุกบริสุทธิ์จะมีสีขาว

-เงินทนต่อการกัดกร่อนได้ดี มีเนื้ออ่อนรี ดขึ้นรูปได้ง่าย ใช้เคลือบโลหะอื่น ๆ ได้ดี

ประโยชน์ของดีบุก

ในชีวิตประจำวันดีบุกเข้ามามีบทบาทเกี่ยวข้องกับเครื่องใช้หลายอย่างได้แก่ เหล็กอาบดีบุก (แผ่นเหล็กวิมาส) ซึ่งนำมาทำกระป๋องบรรจุอาหาร นม ผักและผลไม้ต่าง ๆ ตะกั่วบัดกรี อุปกรณ์ไฟฟ้า วิทยุโทรทัศน์ต่าง ๆ

อุตสาหกรรมรถยนต์และเครื่องประดับต่าง ๆ เช่น แจกัน และเหรียญตราต่าง ๆ โลหะเบา หมายถึงโลหะที่มี ความหนาแน่นต่ำกว่า 4 กรับ/ซม โลหะเบามีใช้ในงานอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวาง ที่นิยมใช้กันมากในปัจจุบันได้แก่ 

โลหะเบา หมายถึงโลหะที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า4kg/dm3โดยทั่วไป ได้แก่

อลูมิเนี่ยม (ALUMINIUM)

-สัญลักษณ์Al

-ความหนาแน่น 2.7 กรับ/ซม

-จุดหลอมเหลว658 องศาเซลเซียส

อลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบาคือ เบากว่าเหล็กประมาณ 3 เท่า เนื้อโลหะจะมีสีขาวอ่อน เป็นตัวนำความร้อนและเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีอลูมิเนียมบริสุทธิ์เมื่อทิ้งไว้ในอากาศนาน ๆ จะเกิดออกไซด์ที่ผิวบาง ๆ ทำให้อลูมิเนียมทนต่อการกัดกร่อนได้ดี อลูมิเนียมง่ายต่อการแปรรูปไม่ว่าจะด้วยการหล่อ รีดหรือดึง

ประโยชน์ของอลูมิเนียม

อลูมิเนียมถูกนำมาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันมากขึ้นเป็นลำดัง เช่น เครื่องใช้ต่าง ๆ ในการหุงต้มอาหาร สายไฟฟ้า กรอบหรือโครงของเครื่องใช้ไฟฟ้า ใช้ทำเฟอร์นิเจอร์ กระป๋องอาหาร สำเร็จรูป หลอดยาต่าง ๆ ใช้ทำชิ้นส่วนทั้งภายในและภายนอกรถยนต์ บางครั้งต้องการความแข็งแรงสูงแต่ต้องการน้ำหนักเบาก็สามารถทำได้โดยทำเป็นอลูมิเนียมประสมเช่น ชิ้นส่วนของเครื่องบิน ลูกสูบเครื่องยนต์ ฯลฯ

แมกนีเซียม (MAGNESIUM)

-สัญลักษณ์Mg

-ความหนาแน่น 1.74 กรับ/ซม

-จุดหลอมเหลว 650 องศาเซลเซียส

แมกนีเซียม เป็นโลหะเบาที่มีน้ำหนักเบาที่สุด มีลักษณะคล้ายกับอลูมิเนี่ยม การจะแยกโลหะทั้งสองนั้นจะต้องใช้วิธีการทางเคมีเข้าช่วยนำไปแปรรูปได้ง่าย แมกนีเซียมยิ่งบริสุทธิ์เท่าไรความแข็งแรงจะยิ่งลดน้อยลงเท่านั้น ส่วนแมกนีเซียมจึงถูกนำมาใช้งานในรูปของแมกนีเซียมประสม

ประโยชน์ของแมกนีเซียม

แมกนีเซียม เป็นโลหะที่ติดไฟได้ เปลวไฟสว่างไสวมาก ใช้ทำชิ้นส่วนของหลอดไฟ ถ่ายรูป ทำดอกไม้ไฟ ทำพลุส่องสว่าง แมกนีเซียมประสมใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องบินและอุตสาหกรรมในการผลิตอาวุธต่าง ๆ และล้อรถยนต์

เบริลเลียม

เบริลเลียม มีความหนาแน่น1.85 kg/dm3จุดหลอมเหลว1285 ° Cเป็นโลหะที่มีอัตราการยืดตัวน้อยมากถ้าใช้เป็นโลหะผสมจะทำให้โลหะผสมเหล่านั้นมีความแข็งเพิ่มมากขึ้น และจงอย่าลืมว่า ไอหรือฝุ่นของเบริลเลียมเป็นพิษต่อร่างกายเบริลเลียมสามารถนำไปใช้เป็นโลหะผสมทองแดง นอกจากนั้น ยังใช้กับงานที่ต้องการความแข็งแรงสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี

โลหะหนักเป็นอันตรายในอาหาร (food hazard) ประเภทอันตรายทางเคมี (chemical hazard) จึงเกิดการสะสมโลหะหนักในเนื้อเยื่อสัตว์ และเนื้อเยื่อพืช โดยสะสมสารมลพิษเพิ่มขึ้นตามลำดับขั้นการบริโภคจากประกาศกระทรวงสาธารณสุขฉบับที่ 98 (พ.ศ.2529) เรื่อง มาตรฐานอาหารที่มีสารปนเปื้อนมีข้อกำหนดเกี่ยวกับการปนเปื้อนของโลหะในอาหารดังนี้

• ดีบุก250 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม
• สังกะสี 100 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม
• ทองแดง 20 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม
• ตะกั่ว 1 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม เว้นแต่อาหารที่มีสารตะกั่วปนเปื้อนตามธรรมชาติในปริมาณสูง ให้มีได้ตามที่
  ได้รับความเห็นชอบจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา
• สารหนู2 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม
• ปรอท0.5 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม สำหรับอาหารทะเลและไม่เกิน 0.02 มิลลิกรัม ต่ออาหาร 1 กิโลกรัม
  สำหรับอาหารอื่น

  ชนิดของโลหะหนักที่มีการปนเปื้อนในอาหาร

  ประเภท	ระดับของโลหะหนักที่อนุญาตให้มีได้ในเนื้อเยื่อสัตว์น้ำ (มิลลิกรัม / กิโลกรัม (น้ำหนักเปียก)
  	สารหนู	โครเมียม	แคดเมียม	ทองแดง	ปรอท	ตะกั่ว	สังกะสี
  อาหาร	2	2	-	20	0.5	1	100
  ปลา	-	-	0.05	-	-	0.2	-
  กุ้ง (รวมทั้งกั้ง/ปู)	-	-	2.0	-	-	0.5	-
  หอยและปลาหมึก	-	-	2.0	-	-	1	-

การตรวจหาปริมาณโลหะหนักในอาหาร

การตรวจหาโลหะหนัก เช่นตะกั่วและปรอทในเนื้อสัตว์สัตว์น้ำเมล็ดธัญพืชน้ำมันพืชเครื่องดื่มทั่วไป และเครื่องดื่มที่ผสม
แอลกอฮอล์ (alcoholic beverage) นิยมใช้Atomic Absorption Spectroscopy(AAS) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ตรวจหาธาตุอนินทรีย์(inorganic elements) ตัวอย่างจะถูกทำให้ร้อนขึ้นเพื่อเปลี่ยนสภาพเป็นอะตอม (atoms) ซึ่งสามารถดูดกลืนแสงได้ในปริมาณที่เป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของธาตุที่มีอยู่ในตัวอย่าง

พันธะโลหะ (Metallic bonding)

เป็นพันธะภายในโลหะซึ่งเกี่ยวข้องกับ การเคลื่อนย้าย อิเล็กตรอน อิสระระหว่างแลตทิซของอะตอมโลหะดังนั้นพันธะโลหะจึงอาจเปรียบได้กับเกลือที่หลอมเหลวอะตอมของโลหะมีอิเล็กตรอนพิเศษ

เฉพาะในวงโคจรชั้นนอกของมันเทียบกับคาบ(period)หรือระดับพลังงานของพวกมัน อิเล็กตรอนที่เคลื่อนย้ายเหล่านี้

เปรียบได้กับทะเลอิเล็กตรอน(Sea of Electrons)ล้อมรอบแลตทิชขนาดใหญ่ของไอออนบวกพันธะโลหะเทียบได้กับพันธะโควาเลนต์ที่เป็น นอน-โพลาร์ ที่จะไม่มีในธาตุโลหะบริสุทธ์ หรือมีน้อยมากในโลหะผสม ความแตกต่าง อิเล็กโตรเนกาทิวิตีระหว่างอะตอม ซึ่งมีส่วนในปฏิกิริยาพันธะ และอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาจะเคลื่อนย้ายข้ามระหว่างโครงสร้างผลึกของโลหะ พันธะโลหะเขียนสูตรทางเคมีไม่ได้ เพราะไม่ทราบจำนวนอะตอมที่แท้จริง อาจจะมีเป็นล้านๆ อะตอมก็ได้ พันธะโลหะจะมีความสำคัญต่อคุณสมบัติทางฟิสิกส์หลายอย่างของโลหะเช่น

- ความแข็งแรง

- ตีแผ่เป็นแผ่นได้(malleability)

- ดึงเป็นเส้นได้ (ductility)

- นำความร้อนไดดี

- นำไฟฟ้าได้ดีและนำได้ทุกทิศทาง

- เนื้อเป็นเงา (luster)

การเกิดพันธะเคมี

1. โลหะมีค่าพลังงานไอออไนเซชั่นต่ำมาก แสดงว่าอิเล็กตรอนของโลหะจะหลุดออกไปได้ง่าย เมื่อวาเลนซ์อิเล็กตรอนหลุดออกไป ก็จะเหลืออนุภาคบวกดังนี้

โลหะทุกอะตอมเป็นตัวให้อิเล็กตรอนทั้งสิ้นดังนั้นจะไม่มีอะตอมใดเลยที่ได้รับอิเล็กตรอน

2. โลหะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนน้อย ดังนั้นอิเล็กตรอนที่หลุดออกไป จะมีเพียง 1,2,3 ตัวเท่านั้น

3. โลหะมีค่าโคออร์ดิเนชั่นนัมเบอร์สูง ซึ่งเท่ากับ 8 หรือ12 หมายความว่า อะตอมหนึ่งจะมีอะตอมอื่นรอบล้อม 8 ถึง12 อะตอมดังนั้นการนำอิเล็กตรอนมาใช้ร่วมกันเป็นอิเล็กตรอนคู่ในลักษณะของพันธะโคเวเลนต์จึงเป็นไปไม่ได้

ดังนั้นการเกิดพันธะโลหะควรเป็นไปในลักษณะที่ว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมโลหะ ที่หลุดออกไปจะไม่เป็นของอะตอมใดอะตอมหนึ่งโดยเฉพาะแต่จะเป็นของอะตอมทั้ง หมด โดยที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังอะตอมนี้บ้างอะตอมโน้นบ้าง ในผลึกของโลหะจึงเป็นการเอาอนุภาคบวกมาเรียงกัน ไว้อย่างมีระเบียบ และมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปมาได้ทั่วอนุภาคบวกทั้งหมด หรืออาจกล่าวได้ว่า อนุภาคบวกเหล่านั้นจมอยู่ในทะเลอิเล็กตรอน แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคบวกกับอิเล็กตรอนเรียกว่า“พันธะโลหะ”ซึ่งมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างพันธะแข็งแรงมาก

ภาพแสดงการเกิดพันธะโลหะ