บทที่ 1.1

ข้อใดคือความหมายของ "วัสดุวิศวกรรม"?

• วัสดุที่ใช้สำหรับตกแต่งบ้าน

• วัสดุที่ใช้ในการผลิตสินค้าทางเทคนิค

• วัสดุที่ใช้สำหรับงานศิลปะ

• วัสดุที่ใช้สำหรับอาหาร

สิ่งใดทำให้วัสดุแตกต่างกัน

• ส่วนผสม

• โครงสร้าง

• กระบวนการผลิต

• สถานที่ผลิต

ประเภทวัสดุมีกี่ประเภท

• 3

• 5

• 7

• 9

ประเภทของวัสดุมีอะไรบ้าง

• โลหะ

• เซรามิกส์

• อิเล็กทรอนิกส์

• วัสดุผสม

• โพลีเมอร์

ข้อใดอธิบายคุณสมบัติของโลหะได้ถูกต้องที่สุด?

• โลหะสามารถหักง่ายเนื่องจากพันธะไอออนิกในโครงสร้าง

• โลหะมีวาเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ประจำที่ ทำให้เป็นฉนวนไฟฟ้า

• โลหะมีอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่ได้ในโครงสร้าง ทำให้สามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้

• โลหะมีโครงสร้างผลึกที่ดูดกลืนแสงได้ทั้งหมด ทำให้โปร่งใส

เหตุผลหลักที่โลหะสามารถขึ้นรูป (แปรรูป) ได้ดีคืออะไร?

• การจัดเรียงแบบไม่มีระเบียบของอะตอมในโลหะ

• การที่อิเล็กตรอนทุกตัวจับแน่นกับนิวเคลียส

• พันธะโลหะมีลักษณะไม่ทิศทาง ทำให้อะตอมสามารถเลื่อนตำแหน่งได้โดยไม่แตกหัก

• การที่โลหะสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกับอากาศ

Answer explanation

การเปรียบเทียบกับตัวเลือกอื่น:

ความเข้าใจเชิงโครงสร้างของพันธะโลหะและการขึ้นรูปโลหะ

พันธะโลหะแตกต่างจากพันธะโคเวเลนต์หรือพันธะไอออนิกอย่างมาก โดยมีลักษณะที่สำคัญคือ:

• อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อิสระ (Delocalized Electrons): อะตอมโลหะจะให้อิเล็กตรอนวงนอกสุด (valence electrons) ออกมาเคลื่อนที่อย่างอิสระไปทั่วโครงสร้างโลหะ เหมือนกับเป็น "ทะเลอิเล็กตรอน" (sea of electrons) ที่คอยยึดไอออนบวกของโลหะเข้าไว้ด้วยกัน

• ไม่มีทิศทาง (Non-directional): เนื่องจากอิเล็กตรอนไม่ได้ถูกจำกัดให้อยู่ระหว่างอะตอมคู่ใดคู่หนึ่งโดยเฉพาะ พันธะโลหะจึงไม่มีทิศทางที่แน่นอน ซึ่งหมายความว่าแรงดึงดูดระหว่างอะตอมไม่ได้ขึ้นอยู่กับทิศทางเฉพาะเจาะจง

---

ทำไมคุณสมบัตินี้ถึงทำให้โลหะขึ้นรูปได้ดี?

เมื่อโลหะถูกดัด งอ หรือตีขึ้นรูป อะตอมของโลหะจะถูกบังคับให้เลื่อนตำแหน่งออกจากที่เดิม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพันธะโลหะไม่มีทิศทาง การเลื่อนตำแหน่งของอะตอมจึงไม่ได้ทำให้พันธะแตกหักออกไปเหมือนในวัสดุอื่น ๆ ที่มีพันธะแบบมีทิศทาง เช่น เซรามิกหรือแก้ว

• a) การจัดเรียงแบบไม่มีระเบียบของอะตอมในโลหะ: โลหะส่วนใหญ่มีการจัดเรียงอะตอมที่เป็นระเบียบในโครงสร้างผลึก (crystalline structure) ไม่ได้ไม่มีระเบียบทั้งหมด

• b) การที่อิเล็กตรอนทุกตัวจับแน่นกับนิวเคลียส: ตรงกันข้ามครับ อิเล็กตรอนวงนอกสุดของโลหะจะเคลื่อนที่อิสระ ไม่ได้จับแน่นกับนิวเคลียส ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของพันธะโลหะ

• d) การที่โลหะสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกับอากาศ: ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาเคมีไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับความสามารถในการขึ้นรูป

“Sea of electrons” ที่อธิบายโครงสร้างของโลหะ หมายถึงอะไร?

• กลุ่มอิเล็กตรอนที่จับกันเป็นกลุ่มก้อนเหมือนทะเล
  

• วาเลนซ์อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมแม่และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วโครงผลึก

• การที่อิเล็กตรอนถูกจำกัดไว้ในพันธะโควาเลนต์
  

• การแผ่รังสีของอิเล็กตรอนจากผิวโลหะ

Answer explanation

ถูกต้องอีกแล้วครับ! คำตอบที่คุณเลือก b) วาเลนซ์อิเล็กตรอนที่หลุดออกจากอะตอมแม่และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วโครงผลึก เป็นคำอธิบายที่ถูกต้องที่สุดสำหรับแนวคิด "ทะเลอิเล็กตรอน" (sea of electrons) ในโครงสร้างของโลหะครับ

---

"ทะเลอิเล็กตรอน" (Sea of Electrons) คืออะไร?

แนวคิด "ทะเลอิเล็กตรอน" เป็นแบบจำลองที่ใช้ในการอธิบายพันธะโลหะ (metallic bond) ซึ่งเป็นพันธะเคมีที่พบในโลหะ โดยมีลักษณะสำคัญดังนี้:

1. การสูญเสียวาเลนซ์อิเล็กตรอน: อะตอมโลหะมีแนวโน้มที่จะสูญเสียวาเลนซ์อิเล็กตรอน (valence electrons) ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นนอกสุดของอะตอมได้ง่าย เพื่อให้ตัวเองมีเสถียรภาพมากขึ้น (โดยปกติคือการมีอิเล็กตรอนครบ 8 ในวงนอกสุดเหมือนก๊าซเฉื่อย)

2. การก่อตัวของไอออนบวก: เมื่ออะตอมสูญเสียวาเลนซ์อิเล็กตรอนไป มันจะกลายเป็นไอออนบวก (positive ion) หรือ "ไอออนโลหะ" (metal ion)

3. อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อิสระ (Delocalized Electrons): วาเลนซ์อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมแม่ไม่ได้ถูกยึดติดกับอะตอมใดอะตอมหนึ่งโดยเฉพาะ แต่จะเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระไปทั่วทั้งโครงสร้างผลึกของโลหะทั้งหมด คล้ายกับคลื่นในทะเล จึงถูกเรียกว่า "ทะเลอิเล็กตรอน"

4. แรงยึดเหนี่ยว: "ทะเลอิเล็กตรอน" ที่มีประจุลบเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็น "กาว" คอยยึดเหนี่ยวไอออนบวกของโลหะที่มีประจุบวกเข้าไว้ด้วยกันอย่างแน่นหนา ทำให้โครงสร้างของโลหะมีความเสถียรและแข็งแรง

ข้อใดกล่าวถึงคุณสมบัติของเซรามิกได้ ถูกต้องที่สุด?

• นำไฟฟ้าได้ดีเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระ
  

• ทนความร้อนสูงและแข็งแรง แต่เปราะ
  

• มีจุดหลอมเหลวต่ำ จึงแปรรูปง่าย

• เป็นโลหะผสมที่มีความยืดหยุ่นสูง

Answer explanation

การวิเคราะห์ตัวเลือกอื่น:

• a) นำไฟฟ้าได้ดีเนื่องจากมีอิเล็กตรอนอิสระ: ผิดครับ เซรามิกส่วนใหญ่เป็นฉนวนไฟฟ้า (นำไฟฟ้าได้ไม่ดี) เพราะอิเล็กตรอนถูกยึดแน่นในพันธะ ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระเหมือนในโลหะ (มีเซรามิกบางชนิดที่นำไฟฟ้าได้ เช่น บางชนิดของคาร์ไบด์ หรือออกไซด์บางตัว แต่โดยรวมแล้วคุณสมบัติเด่นคือเป็นฉนวน)

• c) มีจุดหลอมเหลวต่ำ จึงแปรรูปง่าย: ผิดครับ เซรามิกมีจุดหลอมเหลวสูงมาก และแปรรูปได้ยากกว่าโลหะมาก มักจะแปรรูปด้วยวิธีการเผาที่อุณหภูมิสูงมาก หรือการใช้ผงเซรามิกอัดขึ้นรูป

• d) เป็นโลหะผสมที่มีความยืดหยุ่นสูง: ผิดครับ เซรามิกไม่เป็นโลหะผสม และไม่มีความยืดหยุ่นสูง ตรงกันข้าม เซรามิกเปราะและไม่สามารถยืดหยุ่นได้

พันธะทางเคมีแบบใดที่พบได้ในวัสดุเซรามิกทั่วไป?

• พันธะโลหะเท่านั้น
  

• พันธะไฮโดรเจนและโลหะ
  

• พันธะไอออนิกและโควาเลนต์
  

• พันธะวาเนอร์วาลส์เท่านั้น

Answer explanation

ถูกต้องครับ! คำตอบที่คุณเลือก c) พันธะไอออนิกและโควาเลนต์ เป็นคำตอบที่ถูกต้องที่สุดครับ

---

พันธะเคมีในวัสดุเซรามิก

วัสดุเซรามิกส่วนใหญ่ประกอบด้วยธาตุโลหะและอโลหะที่สร้างพันธะกัน ซึ่งพันธะที่เกิดขึ้นหลักๆ คือ:

1. พันธะไอออนิก (Ionic Bond):

   • เกิดขึ้นจากการที่อะตอมหนึ่ง (มักจะเป็นโลหะ) ให้อิเล็กตรอน แก่อีกอะตอมหนึ่ง (มักจะเป็นอโลหะ) ทำให้เกิดเป็นไอออนบวกและไอออนลบ ซึ่งดึงดูดกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิตที่แข็งแกร่ง

   • ตัวอย่าง: อะลูมินา (Al2​O3​), แมกนีเซีย (MgO)

2. พันธะโคเวเลนต์ (Covalent Bond):

   • เกิดขึ้นจากการที่อะตอม ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อให้แต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดครบตามกฎออกเตต (octet rule)

   • ตัวอย่าง: ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), ซิลิคอนไนไตรด์ (Si3​N4​), เพชร (carbon)

---

คุณสมบัติที่มาจากพันธะเหล่านี้:

พันธะไอออนิกและโคเวเลนต์ในเซรามิกมีลักษณะเฉพาะที่ทำให้เซรามิกมีคุณสมบัติแตกต่างจากโลหะและพอลิเมอร์อย่างชัดเจน ได้แก่:

• ความแข็งแรงสูง: พันธะเหล่านี้เป็นพันธะที่แข็งแรงมาก ทำให้เซรามิกมีความแข็งและความทนทานต่อแรงดึงและแรงกดสูง

• จุดหลอมเหลวสูง: ต้องใช้พลังงานมากในการทำลายพันธะเหล่านี้ ทำให้เซรามิกมีจุดหลอมเหลวที่สูงมาก

• เป็นฉนวนไฟฟ้าและความร้อน: อิเล็กตรอนถูกยึดติดแน่นอยู่ในพันธะ ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเหมือนในโลหะ จึงไม่นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ไม่ดี (ยกเว้นเซรามิกพิเศษบางชนิด)

• ความเปราะ: เนื่องจากพันธะมีทิศทางที่แน่นอน เมื่อได้รับแรงกระแทกหรือแรงดัดงอ อะตอมไม่สามารถเลื่อนตำแหน่งผ่านกันได้ ทำให้เกิดการแตกหักได้ง่าย

---

การวิเคราะห์ตัวเลือกอื่น:

• a) พันธะโลหะเท่านั้น: พันธะโลหะพบในวัสดุประเภทโลหะ ทำให้โลหะมีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดีและสามารถขึ้นรูปได้ดี

• b) พันธะไฮโดรเจนและโลหะ: พันธะไฮโดรเจนพบได้ในโมเลกุลที่มีไฮโดรเจนที่จับกับธาตุที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูง เช่น น้ำ (H2O) และแอลกอฮอล์ ไม่ได้เป็นพันธะหลักในเซรามิก

• d) พันธะวาเนอร์วาลส์เท่านั้น: พันธะวาเนอร์วาลส์เป็นแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอ พบในพอลิเมอร์หรือโมเลกุลที่ไม่เป็นขั้วเป็นหลัก ไม่ใช่พันธะหลักที่ยึดอะตอมในโครงสร้างเซรามิก

เพราะเหตุใดวัสดุเซรามิกจึงมักเป็น ฉนวนไฟฟ้า ที่ดี?

• ไม่มีอิเล็กตรอนในโครงสร้างเลย
  

• อิเล็กตรอนไหลอย่างอิสระผ่านโครงสร้างผลึก
  

• อิเล็กตรอนในพันธะจับยึดแน่น ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้
  

• โครงสร้างของเซรามิกไม่มีพันธะทางเคมีใด ๆ

Answer explanation

การวิเคราะห์ตัวเลือกอื่น:

• a) ไม่มีอิเล็กตรอนในโครงสร้างเลย: ผิดครับ วัสดุทุกชนิดประกอบด้วยอะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอนอยู่เสมอ เพียงแต่ในเซรามิก อิเล็กตรอนถูกยึดแน่นในพันธะ

• b) อิเล็กตรอนไหลอย่างอิสระผ่านโครงสร้างผลึก: ผิดครับ นี่คือคุณสมบัติของโลหะที่ทำให้มันนำไฟฟ้าได้ดี ตรงกันข้ามกับเซรามิก

• d) โครงสร้างของเซรามิกไม่มีพันธะทางเคมีใด ๆ: ผิดครับ วัสดุทุกชนิดที่มีโครงสร้างมั่นคงจะต้องมีพันธะทางเคมีที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกัน มิฉะนั้นมันจะไม่มีรูปร่างและสลายตัวไป