atom

4 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ 4.1 โครงสรางอะตอม 4.2 พนื้ ฐานโครงสรา งอะตอม 4.3 การจัดเรียงตวั ของอเิ ล็กตรอนในระดบั พลงั งานหลกั 4.4 การจัดเรียงตวั ของอเิ ลก็ ตรอนในระดบั พลังงานยอย 4.5 หลอดรังสแี คโทด 4.6 ตารางธาตุ 4.7 การจดั ตารางธาตุ 4.8 ลกั ษณะท่สี าํ คญั ของแตละหมู 4.9 ประโยชนข องตารางธาตุ บทนํา อะตอม (atom) เปน หนวยทเ่ี ล็กทส่ี ดุ ของสสารท่ีมสี มบัตขิ องอะตอมนั้นๆ เปนกรกี วา atomos ( a = not, tomus = to cut) หมายถงึ สง่ิ ทีไ่ มสามารถแบง ไดอ ีก เมอื่ 400 ปก อนครสิ ตศกั ราช นักปราชญช าวกรีกโบราณทชี่ ่อื ลซู พิ ปุส (Leucippus) และดิโมคริตสุ (Democritus) ใชส าํ หรับเรยี กอนุภาคทีเ่ ลก็ ทสี่ ดุ ของสสารทไี่ มส ามารถแบง แยกตอไปไดอ กี โดย เขาไดพ ยายามศึกษาเกี่ยวกบั วตั ถทุ ่ีมขี นาดเล็กระดับจลุ ภาคและมีแนวคิดเกย่ี วกบั โครงสรา ง ของสสารวา สสารทั้งหลายประกอบดวยอนภุ าคท่ีเลก็ มาก ไมสามารถมองเห็นไดแ ละไม สามารถแบงแยกใหเลก็ ลงกวา นัน้ ไดอกี แตใ นสมยั นัน้ ก็ยงั ไมมกี ารทดลอง เพือ่ พสิ จู นและ สนับสนุนแนวความคิดดงั กลา ว จนมาถงึ ค.ศ. 1805 จอหน ดาลตันไดเสนอทฤษฏีทเี่ รียก กันวา ทฤษฏขี องดาลตนั ซึง่ ทําใหมีการศกึ ษาคน ควา เรอื่ งโครงสรา งของอะตอมอยา ง ตอเน่อื ง นักวิทยาศาสตรจ งึ ยกยองใหเ ขาเปน บดิ าแหงอะตอม CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 61

4.1 โครงสรางอะตอม แนวความคิดของ ลูซิพปสุ (Leucippus) และดิโมคริตสุ (Democritus) ยงั คง แพรหลายอยหู ลายสิบป สสารท้ังหลายประกอบดว ยอนุภาคท่ีเลก็ ทส่ี ุด จนกระทัง่ ตอมา วิทยาศาสตรไดเจริญกา วหนา ข้นึ และเกดิ ทฤษฎอี ะตอมข้ึนมาในป ค.ศ.1808 จากแนวความคิด ของจอหน ดาลตัน ผูเสนอจุดเรมิ่ ตนของเคมียุคใหม สมมตฐิ านเกยี่ วกับธรรมชาตขิ องสสารที่ ดาลตนั ไดเ สนอคือแบบจาํ ลองอะตอม เปน ทย่ี อมรบั และสนบั สนนุ จากนักวิทยาศาสตรใ นสมัย นนั้ โดยทฤษฎีอะตอมของดาลตันไดกลา วไวว า 1. สสารทกุ ชนิดประกอบดวยอะตอม ซึง่ เปนหนวยทเ่ี ลก็ ทส่ี ุด ไมส ามารถ แบง แยก ไมอาจสรา งข้นึ หรอื ทําลายได 2. ธาตปุ ระกอบดว ยอนุภาคทเี่ รียกวา อะตอม อะตอมของธาตุชนดิ เดยี วกันมี ลักษณะเหมอื นกนั คอื มีมวล ขนาด และสมบตั ิทางเคมีเหมอื นกัน และแตกตา งจากอะตอม ของธาตชุ นดิ อน่ื 3. สารประกอบเกิดจากการรวมตัวของอะตอมของธาตตุ ง้ั แต 2 ชนิดขนึ้ ไป มา รวมตวั กนั ดวยสดั สว นอะตอมทค่ี งท่ีและเปน เลขจํานวนเตม็ หรือเศษสวนอยางงา ย 4. การเกิดปฏกิ ริ ยิ าเคมเี ก่ียวขอ งกับการแยก การรวม และการจัดอะตอมใหม เทา นัน้ ไมม กี ารสรางหรือการสญู หายของอะตอม รูปท่ี 4.1 แบบจําลองอะตอมตามทฤษฎีอะตอมของดาลตัน ในปลายปศตวรรษท่ี 19 ไดมีการคนพบรังสชี นิดหนึ่ง เรียกวา รังสีแคโทด (cathode ray) ที่ไดจากการทดลองของนกั วทิ ยาศาสตรช ่อื Julius Plicker ซงึ่ ประดษิ ฐห ลอด รงั สแี คโทดใชห ลอดแกวที่สบู อากาศออก และมีอิเล็กโทรดอยูคนละขา ง (แอโนดเปน แผนประจุ บวกและแคโทดเปน แผน ประจลุ บ) ของหลอดแกว และตอเขา กบั ไฟฟา ทม่ี ีศักยส ูง ทําใหเกดิ รงั สขี ้นึ ภายในหลอดแกว เรยี กวา รังสแี คโทด หลอดรงั สีแคโทดเปน ตนแบบของหลอดทีใ่ ชใน โทรทัศน 62 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

ทีม่ า : http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks รูปท่ี 4.2 หลอดรังสแี คโทด รปู ท่ี 4.3 เจ เจ ทอมสนั กับหลอดรงั สแี คโทดในการคน พบอเิ ล็กตรอน และ ในป 1898 เจ เจ ทอมสนั ›(Sir Joseph John Thomson) ไดท ําการทดลองโดยใช หลอดรงั สีแคโทดน้ี คน พบวา มอี นุภาคท่ีมปี ระจุไฟฟา ลบหรอื อิเลก็ ตรอน (electron) ทอ่ี อกมา จากขว้ั แคโทด และถกู ดดู เขาไปท่แี ผน ประจุบวกของแอโนด ดงั น้ันความเชอ่ื ที่เขา ใจกันวา อะตอมแบง แยกอีกไมไ ดจ งึ ไมถกู ตอ งอีกตอไป เมื่อทอมสนั ไดคนพบอนุภาคที่เล็กกวาอะตอม เจ เจ ทอมสันไดเสนอแบบจําลองอะตอมขึ้นใหม วา \"อะตอมมลี กั ษณะเปน รปู ทรงกลมประกอบ › Joseph John Thomson (ค.ศ. 1856-1940) นักวิทยาศาสตรชาวอังกฤษ ไดร บั รางวัลโนเบลในสาขาฟสกิ ส ใน ค.ศ. 1906 จากการคน พบอเิ ล็กตรอน CM 103 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Š 63

รปู ที่ 4.4 แบบจําลองโครงสรา งอะตอมของทอมสนั และในตนศตวรรษที่ 20 จากการศกึ ษาของ เจ เจ ทอมสนั พบวา อัตราสวนประจตุ อ มวลของ อิเลก็ ตรอน มคี าเปน –1.76 x 108 คลู อมปตอ กรัม แตแบบจาํ ลองอะตอมของทอมสนั นีย้ ังไม สามารถอธบิ ายขอ สงสยั บางอยา งได เชน ประจุไฟฟา บวกอยูกันไดอยา งไรในอะตอม และไม สามารถอธบิ ายสมบัตบิ างอยางของอะตอม เชน สเปกตรมั ที่แผอ อกมาจากธาตุ ทาํ ให นักวิทยาศาสตรร นุ หลังตองคน ควาและทดลองเพือ่ หาขอ เทจ็ ของโครงสรา งอะตอมกนั ตอมา ในป 1910 เออรเ นสต รัทเธอรฟ อรด ’ (Ernest Rutherford) ไดเสนอ แบบจําลองอะตอมใหม เกย่ี วกบั การกระจายตัวของประจลุ บของอเิ ล็กตรอนและประจบุ วก ภายในนิวเคลยี สของอะตอม รัทเธอรฟ อรดและคณะไดท าํ การทดลองยิงอนภุ าคแอลฟาÇ ไป ท่แี ผนโลหะทองคาํ บาง ดังรูปท่ี 4.5 พบวา อนภุ าคแอลฟาสวนใหญส ามารถผา นแผนโลหะได โดยมีการกระเจงิ จากแนวการเคลอ่ื นที่เดมิ ไปในทศิ ทางตางๆ ของอนุภาคนอ ยมาก และมบี าง อนุภาคกระเจิงจากแนวเดมิ เปน มุมกวางและบางอนุภาคสะทอนกลบั ในทิศทางเดมิ ทําให ’ รทั เทอรฟ อรด (ค.ศ. 1871-1937) เปนนักฟส กิ สช าวนิวซีแลนด ที่สรา งผลงานในองั กฤษ และเคยเปน ลกู ศษิ ยของทอมสนั Ç อนภุ าคแอลฟาเปน นิวเคลียสของอะตอมฮเี ลียม ซ่ึงไดจ ากการสลายของธาตุกัมมนั ตรังสี เชน เรเดยี ม 64 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

รัทเธอรฟอรดจงึ ไดเ สนอแบบจาํ ลองอะตอมขึ้นใหมวา อะตอมประกอบดว ย แกนกลางทม่ี คี วามหนาแนน ของประจุบวกรวมกันอยู เรียกวานวิ เคลยี ส ซง่ึ เปน ทร่ี วมมวลเกอื บ ทงั้ หมดของอะตอม มีอเิ ลก็ ตรอนเคลื่อนทรี่ อบๆ นิวเคลยี ส โดยมีพนื้ ที่สวนใหญของอะตอม เปนทว่ี า ง ดงั รูปที่ 4.6 เน่ืองจากแบบจาํ ลองอะตอมของรทั เธอรฟอรด ยงั มีขอ บกพรอ งบางประการ เชน ไมสามารถอธบิ ายไดวา ทาํ ไมอิเลก็ ตรอนจงึ เคลอื่ นทรี่ อบนวิ เคลียสได โดยไมสญู เสยี พลงั งาน และทาํ ไมประจไุ ฟฟา บวกจงึ รวมกนั อยภู ายในนิวเคลยี สได โดยไมเกดิ แรงผลักกันของ ประจไุ ฟฟา ชนดิ เดียวกัน จงึ ทําใหน กั วทิ ยาศาสตรพยายามหาแบบจําลองอะตอมข้ึนใหม ท่ีมา : http://wps.prenhall.com/wps/media รปู ที่ 4.5 การทดลองเก่ยี วกับการกระเจิงของรังสขี องรัทเธอรฟอรด CM 103 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Š 65

a) ผลการทดลองทร่ี ัทเธอรฟอรดคาดวา นาจะเกิดขึ้น b) สรปุ ผลการทดลองทเ่ี กิดขน้ึ จากการทดลองจริงของรัทเธอรฟอรด รปู ที่ 4.5 (ตอ) แบบจาํ ลองอะตอมการทดลองของรัทเธอรฟอรด ที่มา : http://wps.prenhall.com/wps/media รูปท่ี 4.6 แบบจําลองโครงสรางอะตอมของรัทเธอรฟ อรด CM 103 66 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ

ในป 1913 นกั ฟสิกสชาวเดนมารกช่อื นีล บอหร (Niels Bohr) เปน ผหู นง่ึ พยายามหาคําอธิบายเพิม่ เติมเก่ียวกบั แบบจําลองอะตอมของรัทเธอรฟ อรด ไดน ําทฤษฎีกล ศาสตรค วอนตัมมาประยุกตใ ชใ นการทดลอง เพื่อพฒั นาแบบจําลองอะตอมของรทั เธอรฟ อรด อีเล็กตรอนซึ่งมปี ระจุลบเคลอื่ นทีร่ อบนิวเคลียสทีม่ ปี ระจุบวกดวยแรงดึงดดู ทางไฟฟาตามกฎ ของคูลอมบ (Coulomb) ทส่ี ามารถอธบิ ายสเปกตรมั ของอะตอมไฮโดรเจนที่มเี พยี งอิเลก็ ตรอน ตัวเดียวไดโดยไดเ สนอแบบจาํ ลองอะตอมของไฮโดรเจนวา 1. อเิ ล็กตรอนจะเคลอ่ื นทเ่ี ปนวงกลมรอบนวิ เคลียส โดยมวี งโคจรเพยี งบางวงท่มี ี อเิ ลก็ ตรอนไมแ ผค ลืน่ แมเหลก็ ไฟฟา ออกมาในวงโคจรดังกลา ว คลายดาวเคราะหท ีโ่ คจรรอบ ดวงอาทิตย 2. อิเล็กตรอนจะรับหรอื ปลอ ยพลังงานออกมา เม่ือมกี ารเปลย่ี นวงโคจรท่กี ลา วในขอ ที่ 1 พลังงานทอี่ ิเล็กตรอนรบั หรือปลอยออกมาจะอยใู นรปู คลื่นแมเหลก็ ไฟฟา สมมติฐานของบอหร สามารถอธบิ ายปญหาปรากฏการณข องอะตอมไฮโดรเจนได คือ 1. เหตุผลทอ่ี ิเลก็ ตรอนโคจรรอบนิวเคลยี สของไฮโดรเจนไดโดยไมแผคลนื่ แมเหลก็ ไฟฟา เพราะอิเล็กตรอนโคจรในระดบั พลงั งานของอะตอมบางวง ซงึ่ วงใน สดุ จะเสถียร 2. สเปกตรัมของไฮโดรเจนเกิดจากการเปลยี่ นระดบั พลงั งานของอิเลก็ ตรอน จาก สถานะกระตนุ มายังสถานะตาํ่ กวา หรอื สถานะพนื้ จะแผคลน่ื แมเ หลก็ ไฟฟา ออกมา อาจเหน็ เปน เสนสวางท่ีไมตอ เนอ่ื ง และอาจมีความถ่อี ื่นๆ อกี ทีต่ ามองไม เหน็ CM 103 รูปท่ี 4.7 แบบจําลองโครงสรางอะตอมของบอหร โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Š 67

4.2 พน้ื ฐานโครงสรางอะตอม จากการศกึ ษาและทดลองตางๆ พอทจี่ ะสรุปเก่ียวกบั โครงสรางของอะตอมได วา ทกุ อะตอมประกอบดว ยอนุภาคที่สําคัญคือ โปรตอน นวิ ตรอน และอเิ ลก็ ตรอน โดยมี โปรตอนกับนวิ ตรอนอยูภายในนวิ เคลียส นิวเคลียสนี้จะครอบครองเน้อื ที่ภายในอะตอมเพียง เลก็ นอยแตมมี วลมาก และมีอิเลก็ ตรอนวงิ่ รอบๆ ดว ยความเรว็ สูงคลายกบั มกี ลมุ ประจลุ บปก คลุมอยโู ดยรอบ อนุภาค ประจุสมั พทั ธ ประจ(ุ C) มวล(g) มวล(amu) อิเล็กตรอน -1 1.6 x 10-19 0.00055 1/1840 โปรตอน +1 1.6 x 10-19 1.0073 1 นวิ ตรอน 0 1.0087 1 0 จาํ นวนโปรตอนในนวิ เคลียสเรยี กวา เลขอะตอม (atomic number, Z) ผลบวกของจาํ นวนโปรตอนกบั นวิ ตรอนเรียกวา เลขเชิงมวล (mass number, A) การเขียนสัญลักษณน วิ เคลยี ร 68 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

อะตอมโดยทว่ั ไปแลว จะแบง ตามเลขอะตอม ซึ่งเทา กับจาํ นวนโปรตอนใน อะตอม เลขอะตอมจะเปน ตัวระบวุ าอะตอมนั้นเปน อะตอมของธาตอุ ะไร ตวั อยา งเชน อะตอม ของคารบอน มีจาํ นวนโปรตอน 6 ตัว อะตอมท่มี เี ลขอะตอมเทากันจะมีสมบตั ทิ างกายภาพ สมบัติทางเคมที ่เี หมือนกนั ในตารางธาตุ ธาตุถกู จดั เรยี งตามคาเลขอะตอม เลขเชงิ มวลของธาตุคือจาํ นวนรวมของโปรตอนและนวิ ตรอน โดยโปรตอน และนวิ ตรอนแตล ะตวั น้ันจะมมี วล 1 amu จํานวนนวิ ตรอนในอะตอมน้ันไมไดเ ปนตวั กําหนด ชนดิ ของธาตุ ธาตุแตล ะชนดิ นน้ั จะมจี ํานวนโปรตอนและอิเลก็ ตรอนท่แี นน อน แตอ าจมจี าํ นวน นิวตรอนทแ่ี ตกตา งไป เรยี กวา ไอโซโทปของธาตุ การเรียกชื่อของไอโซโทปจะข้ึนตน ดว ยช่อื ของธาตแุ ละตามดวยเลขมวล ตวั อยางเชน อะตอมของ คารบ อน-14 และคารบ อน-12 ดงั รูป ขา งลา ง เปนไอโซโทปท่มี ีจํานวนโปรตอนเทากันคอื 6 ตัว แตม ีจํานวนนิวตรอนตา งกันคอื 8 และ 6 ตัว ตามลําดับ 14 C 12 C 6 6 หรืออะตอมของ ไฮโดรเจน มเี ลขอะตอมเทา กับ 1 และ มีจํานวนโปรตอน 1 ตวั จาํ นวนอเิ ลก็ ตรอน 1 ตวั ไอโซโทปของไฮโดรเจน ซึง่ มีนวิ ตรอน 1 ตวั เรยี กวา ดวิ ทเี รียม หรือไฮโดรเจน-2 สว นไอโซโทปของไฮโดรเจนซ่งึ มีนวิ ตรอน 2 ตวั จะเรยี ก ทริเทยี ม หรอื ไฮโดรเจน-3 1 H 2 H (D) 3 H (T) 1 1 1 เลขเชงิ มวลอะตอมของธาตทุ ี่ระบใุ นตารางธาตุ เปน คาเฉลี่ยมวลของไอโซโทปทีพ่ บตาม ธรรมชาติ โดยเฉลี่ยแบบถว งน้ําหนกั ตามปริมาณท่ปี รากฏในธรรมชาติ CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 69

สาํ หรับแบบจาํ ลองอะตอมทีไ่ ดร บั การยอมรบั มากท่สี ุดคือ แบบจําลองเชิงคล่ืน (wave model) ท่พี ัฒนามากจากแบบจาํ ลองของบอหร ไดกลาววา • อะตอม ประกอบดวยอนุภาคท่ีขนาดเลก็ กวา คอื โปรตอน อิเลก็ ตรอน และนวิ ตรอน บรเิ วณสว นใหญของอะตอมนนั้ เปน ที่วา งเปลา • ท่จี ดุ กึง่ กลางอะตอม ประกอบดวยอนภุ าคขนาดเลก็ เรยี ก นวิ เคลยี สหรือนิ วคลีออน ประกอบดว ยโปรตอนและนวิ ตรอน มสี มบัตทิ างไฟฟา เปน ประจบุ วก • นิวเคลยี สนม้ี ขี นาดเล็กกวา 100,000 เทาของขนาดของอะตอม 70 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

4.3 การจดั เรยี งอเิ ล็กตรอนในระดับพลงั งานหลกั (Arrangement of Electron in Principal Energy Levels) บรเิ วณสวนใหญข องอะตอมนั้นจะใชเ ปน บริเวณของวงโคจรของอเิ ลก็ ตรอน ตามรูปแบบการจดั เรียงอิเล็กตรอน (electron configuration) วงโคจรของอเิ ลก็ ตรอนนนั้ ไมไดเ ปน รูปรา งเปนวง แตจ ะเปน ในรูปแบบของการกระจายความนา จะเปน ของจุดที่ อิเลก็ ตรอนนนั้ อยู โดยอิเล็กตรอนอิสระท่เี ขาไปรวมตวั กบั อะตอมน้นั จะอยใู นวงโคจรทมี่ ี พลังงานตํ่าทสี่ ดุ ซึง่ ก็คอื วงโคจรที่อยูใ กลนิวเคลยี สทสี่ ุด (first shell) อเิ ล็กตรอนที่อยบู นวง โคจรนอกสดุ (valence shell) เทานน้ั ท่ีสามารถสรา งพันธะได จากโครงสรางอะตอมทม่ี อี เิ ลก็ ตรอนเคลอื่ นทร่ี อบนิวเคลียสเปนช้นั ในแตล ะ ชน้ั จะมีระดบั พลังงานเฉพาะตวั ชนั้ ท่อี ยูใกลนวิ เคลียสมีระดบั พลังงานต่ําสดุ สวนชน้ั ทอ่ี ยูหาง นิวเคลียสมีระดบั พลงั งานสงู ข้นึ จํานวนของอิเล็กตรอนสูงสุดในแตละระดบั พลงั งานมไี ดเปน จํานวนไมเ กนิ 2n2 เม่ือ n แทน ระดบั พลงั งาน เชน n = 1 คือระดับพลังงานที่อยูใกลน วิ เคลยี สท่สี ดุ จาํ นวนอิเล็กตรอนที่มไี ดส ูงสดุ 2x12 = 2 n = 2 คอื ระดับพลังงานที่ 2 จาํ นวนอิเล็กตรอนทม่ี ไี ดส งู สุด 2x22 = 8 สําหรับอิเลก็ ตรอนที่อยใู นระดบั พลังงานนอกสุดของอะตอมซง่ึ เปนระดับทีม่ ี พลังงานสูงทสี่ ุด จะเรียกวา \"เวเลนซอเิ ลก็ ตรอน\" จะมอี ิเลก็ ตรอนไมเกิน 8 ระดับพลังงาน หลกั มีได 7 ระดบั นบั จาก นวิ เคลียสออกไป มีชอ่ื เรียกดังตาราง ตารางที่ 4.1 แสดงระดับพลงั งานและจาํ นวนอเิ ล็กตรอนสูงสดุ ของแตละชน้ั รอบนิวเคลียส ระดบั พลังงาน (n) K LMNPQR จํานวนอเิ ล็กตรอนที่มไี ดสูงสุด = 2n2 1234567 2 8 18 32 50 72 98 ตัวอยา งการจดั เรยี งอิเล็กตรอนในระดบั พลงั งานของธาตตุ างๆ ดงั ตาราง CM 103 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Š 71

72 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

แผนภูมแิ สดงคาพลงั งานในแตล ะระดับพลังงานหลกั 4.4 การจดั เรยี งอเิ ล็กตรอนในระดับพลังงานยอ ย (Arrangement of Electron in Sublevels) จากการศึกษาสเปกตรมั และกลศาสตรค วอนตัมของคลน่ื ทาํ ใหทราบวา ระดบั พลังงานของอเิ ล็กตรอนในระดบั พลังงานหลกั เดยี วกนั แบง เปน ระดบั พลงั งานยอ ยตางๆ อีก หลายระดับพลงั งานยอ ย ทแี่ ทนดว ยสัญลกั ษณต วั พมิ พเ ลก็ ไดแก s, p, d, f, g subshell แตละระดับพลงั งานยอย มีจาํ นวนอิเลก็ ตรอนตางกันตามออรบ ิตลั ทม่ี ีอยู ดงั รูป CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 73

ในระดบั พลงั งาน n=1 มี 1 ระดบั พลงั งานยอ ย เขียนสัญลกั ษณเ ปน 1s ในระดับพลงั งาน n=2 มี 2 ระดับพลงั งานยอ ย เขียนสญั ลกั ษณเ ปน 2s, 2p ในระดบั พลงั งาน n=3 มี 3 ระดบั พลงั งานยอ ย เขยี นสัญลักษณเ ปน 3s, 3p, 3d ระดับพลังงานหลัก ระดบั พลังงานยอ ย จาํ นวนอิเลก็ ตรอนในระดับ รวมจํานวนอเิ ลก็ ตรอน n=1 1s พลงั งานยอย ในระดับพลังงานใหญ n=2 2s, 2p n=3 3s, 3p, 3d 22 N=4 4s, 4p, 4d, 4f N=5 5s, 5p, 5d, 5f, 5g 2, 6 8 2, 6,10 18 2, 6, 10, 14 32 2, 6, 10, 14, 18 50 ระดับพลังงานยอ ยทมี่ คี ามากจะมีจํานวนออรบติ ัลเชงิ อะตอมดงั น้ี s - subshell มี 1 ออรบิตลั p - subshell มี 3 ออรบ ติ ลั d - subshell มี 5 ออรบิตลั f - subshell มี 7 ออรบิตลั g - subshell มี 9 ออรบติ ลั อเิ ล็กตรอนในอะตอมตา งๆ ในออรบ ิทลั เชงิ อะตอม มีการจัดเรยี งตวั โดยอาศยั หลักเรียกวา Aufbau principle สําหรบั อะตอมที่มคี วามเสถียรมากที่สุด (มพี ลังงานต่ําทสี่ ดุ คือทส่ี ถานะพน้ื ) ดังน้ี 1. การบรรจุอิเล็กตรอนในระดบั พลังงานตองบรรจุในระดับพลงั งาน (n) ท่ที ําใหอะตอม มีพลงั งานต่ํากวากอ นจนเตม็ จงึ ตอ งไปบรรจใุ นระดบั พลังงานท่สี งู ขึ้นไป 2. การบรรจุอิเลก็ ตรอนลงไปในระดับพลงั งานยอ ยตางๆ ตองใหไดพ ลงั งานรวมต่ําท่ีสุด ซึ่งลําดับการบรรจุอิเลก็ ตรอนลงในระดับพลังงานยอ ยตางๆ ดังไปน้ี 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s 74 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

แผนภมู แิ สดงลําดบั การเตมิ อิเล็กตรอนในออรบติ ลั ของอะตอมที่มอี ิเลก็ ตรอนจํานวนมาก ตวั อยา งเชน การจดั เรียงอิเล็กตรอนของ Mg มี 12 อเิ ลก็ ตรอน เขียนไดเ ปน Mg : 1s2 2s2 2p6 3s2 Ni มี 28 อิเลก็ ตรอน เขียนไดเปน Ni : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 4.5 หลอดรังสแี คโทด (Cathode Rays Tube) ในป ค.ศ. 1830 เซอรวลิ เลยี ม ครคู ไดประดิษฐเ ครอื่ งมือท่ีมีความสําคญั ตอ การคน พบอเิ ล็กตรอน คือหลอดรงั สแี คโทด ทีเ่ ปนหลอดแกว สญู ญากาศ ใหดงั รูป หลอดแกว ดังกลา วมีปลายหลอดปดท้ังสองดาน และมขี ัว้ โลหะทตี่ อ เขาไปยงั แบตเตอรี่ หลังจากน้นั ผานกระแสไฟฟา ท่ีมแี รงเคลอ่ื นสูงๆ เขา ไป พบวา ผนงั หลอดแกวใกล ข้วั แอโนด (ขว้ั ลบ) เกิดการเรืองแสง CM 103 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Š 75

ในป ค.ศ. 1897 เจ.เจ.ทอมสนั (1856-1940) ไดศกึ ษาแนวคิดทวี่ า กาซสามารถนาํ ไฟฟาได จากผลการทดลองของไมเคลิ ฟาราเดย ทีค่ ดิ วาไฟฟา เปน อนุภาค และถา สารใดๆ ตางมี อะตอมเปน องคประกอบแลว ถาใหก ระแสไฟฟา จํานวนหนึ่งแกส าร จะมีผลทาํ อะตอมสว นหน่ึง หลุดออกมาได แสดงวา ในแตละอะตอมตอ งมอี นุภาคไฟฟา ติดอยูดว ย เจ. เจ. ทอมสัน พบวา เมอ่ื ใชหลอดแกว สูญญากาศทภี่ ายในบรรจุกาซเพยี ง เล็กนอ ย ซึ่งประกอบดวยวงจรไฟฟากระแสตรงทม่ี คี วามตา งศักย 1.0x104 โวลต ท่วี างฉาก เรอื งแสงทีฉ่ าบดวยซงิ คซลั ไฟต(ZnS) ไวภ ายในหลอด ข้วั ไฟฟา ท่ีตอ กับข้ัวบวก เรยี กวา แอโนด และขว้ั ลบ เรียกวา แคโทด เมอ่ื ผา นไฟฟาเขาไปในหลอดพบวา กา ซนําไฟฟาไดแ ละ เกดิ ลําแสงเสน เรอื งสีเขียวพงุ ออกจากแคโทดไปยังแอโนด เรียกลําแสงน้วี า รงั สีแคโทด แสดงวารังสีนมี้ ีสมบตั ิเปน ประจุไฟฟาลบ เจ เจ ทอมสันจึงไดต ัง้ สมมตฐิ านวา รังสแี คโทด ประกอบดว ยอนุภาค และใชช ือ่ วา อิเลก็ ตรอน ตามท่ีสโตนนีเคยใชม ากอน การทดลองของ ทอมสันทําใหห าอตั ราสว นระหวา งประจแุ ละมวล (e/m) ของ อเิ ล็กตรอนในรงั สีแคโทดได โดย ใชส นามแมเหลก็ และสนามไฟฟา ดังรปู โดยทดลองใหรงั สแี คโทดอยูในสนามแมเหล็ก พบวา รงั สเี บนไปอีกทศิ ทางหนงึ่ ซึ่งตรงกนั ขา มกบั รงั สีแคโทดทอี่ ยใู นสนามไฟฟา จะไดวา เมอื่ รงั สี แคโทดอยูในสนามไฟฟาหรือสนามแมเหลก็ รังสีจะเบนไปจากแนวเดิม โดยรังสีจะว่ิงไปหา ขว้ั บวกของสนามไฟฟา สวนสนามแมเ หล็กนัน้ รงั สวี งิ่ ไปหาขัว้ ใต ดังน้นั เขาจงึ ผา นสนามไฟฟา หรือสนามแมเหล็กไปยงั รังสแี คโทด แลวใชอ กี สนามหนึ่งมาทาํ ใหร งั สีเบนกลบั เปนเสน ตรง 76 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

คาท่ีไดคือ 1.75x108 คูลอมบตอ กรมั และพบวาไมว าจะใชแ กสชนดิ ใดในหลอด รังสแี คโทด อัตราสว นนยี้ งั คงทเี่ สมอ แสดงวาในอะตอมทุกชนิดมอี นภุ าคเล็กๆ ของอิเล็กตรอน เหมือนกนั 4.6 ตารางธาตุ ธาตุ (Elements) เปน สารบรสิ ุทธท์ิ ่ีประกอบดว ยอะตอมเพียงชนดิ เดยี ว ไม สามารถยอยสลายใหเปน สารอน่ื ไดโดยวธิ ที างเคมี อะตอมของธาตุแตล ะชนดิ จะเขียนแทนได ดวยสัญลกั ษณ (Symbol) เปนภาษาอังกฤษ สําหรับธาตใุ ชส ัญลกั ษณท ี่มตี วั อกั ษรสองตวั ให เขยี นอักษรตวั แรกเปน ตวั ใหญแ ละอกั ษรตวั ถดั มาเปนตวั เลก็ ทงั้ น้ขี ้ึนอยกู ับชอ่ื ของธาตุน้นั ๆ เชน Ni ใชแทนนิกเกล (Nickel) Cl ใชแทนคลอรีน (Chlorine) Ca ใชแ ทนแคลเซยี ม (Calcium) มีสัญลักษณข องธาตุบางชนดิ ทีไ่ มส ัมพันธก บั ช่อื ภาษาองั กฤษ ไดแก Fe เปน สัญลักษณข องเหล็ก (Iron) Pb เปนสัญลกั ษณข องตะกว่ั (Lead) Au เปนสัญลักษณข องทอง (Gold) Ag เปนสัญลกั ษณข องเงิน (Silver) Sn เปนสญั ลักษณข องสงั กะสี (Tin) Cu เปน สญั ลกั ษณของทองแดง (Copper) และ Hg เปนสัญลกั ษณของปรอท (Mercury) ท้ังนเ้ี พราะ โลหะเหลา นเ้ี ปน ท่ีรูจักกนั มาแตโ บราณและใชช ่ือภาษาลาตินมาแตเ ดมิ สญั ลกั ษณท่ใี ชแทนจงึ เปน ตวั ยอ ของภาษาลาตนิ ดงั ตารางท่ี 4.2 ตารางท่ี 4.2 ธาตทุ ่ใี ชส ัญลกั ษณม าจากภาษาลาตนิ ช่อื ของธาตุ ช่อื ภาษาลาติน สญั ลกั ษณ Antimony Stibium Sb Copper Cuprum Cu Gold Aurum Au Iron Ferrum Fe Lead Plumbum Pb Potassium Kalium K Silver Argentum Ag Sodium Natrium Na Tin Stannum Sn Tungsten Wolfram W CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 77

จากที่ไดม ีการคน พบธาตุใหมเ พิม่ ขนึ้ เร่ือยๆ จงึ เริม่ มกี ารคดิ คนเพ่อื จัดการกับ ธาตทุ ีพ่ บใหเ ปน ระบบมาตง้ั แตต น ปศตวรรษท่ี 19 เมือ่ นักเคมพี บวามหี ลายธาตุทมี่ สี มบตั ิทาง เคมีและทางกายภาพที่คลายกนั ซง่ึ ไดน ําไปสูการพฒั นาตารางธาตุในปจ จุบนั ¾ ตารางธาตุ (Periodic table) เปน ตารางท่ีแสดงสัญลักษณแ ละสมบตั ิ ของธาตุ มกี ารจดั หมวดหมูของธาตอุ ยางมีระบบ วิวัฒนาการของการจัดธาตใุ นตาราง ตามลาํ ดับปค ริสตศกั ราช ดังนี้ 1. เดอเบอไรเนอร, โยฮนั น วอฟกนั (Döbereiner, Johann Wolfgang) (1780-1849) เปนนกั เคมชี าวเยอรมัน ในป ค.ศ. 1817 เดอเบอไรเนอร ไดเสนอการจัดกลมุ ของธาตแุ บบ กฎชดุ สาม (Law of Triads) โดยพบวา สมบตั ขิ องธาตุสามธาตุ คือ แคลเซยี ม แบเรยี ม และสทรอนเทยี ม มีสมบัติคลา ยกันมาก มวลอะตอมของสทรอนเทียมจะอยูระหวา ง แคลเซียมกบั แบเรยี ม จงึ จดั ธาตทุ ั้งสามไวในชดุ เดียวกนั เรยี กวา “ชดุ สาม” (Triad) และยงั พบ ธาตชุ ดุ สามแบบนี้อีกเจ็ดกลมุ โดยแตละกลุมทีพ่ บน้นั ธาตทุ อี่ ยตู รงกลางจะมีมวลอะตอม ประมาณคร่งึ หน่งึ ของธาตทุ ่ีหนึ่งและสาม แนวคิดของเดอเบอไรเนอรไมไ ดร บั ความนยิ มมากนกั แตกเ็ ปนแนวทางในการเรม่ิ ศึกษาเร่ืองตารางธาตุ ตวั อยางของการจัดกลุมของเดอเบอไรเนอร ชดุ สามที่ 1 ชดุ สามท่ี 2 ชดุ สามท่ี 3 ลําดับธาตุ ชอ่ื ธาตุ มวลอะตอม ชอ่ื ธาตุ มวลอะตอม ชื่อธาตุ มวลอะตอม ธาตทุ ห่ี น่งึ Ca 40.1 Li 6.9 Cl 35.5 ธาตทุ ่สี าม Ba 137.3 K 39.1 I 126.9 มวลเฉล่ยี 88.7 มวลเฉลยี่ 23.0 มวลเฉล่ีย 81.2 ธาตทุ ่สี อง Sr 87.6 Na 23.0 Br 79.9 2. นวิ แลนด, จอหน เอ อาร (Newlands, John A. R.) (1837-1898) ในป ค.ศ. 1867 นักเคมีชาวองั กฤษ ไดจัดหมวดหมขู องธาตุเปนอนกุ รรมโดยเรยี งลําดับตามมวล อะตอมทเ่ี พิ่มขนึ้ ในแนวนอน พบวา ธาตตุ วั ที่ 8 มีสมบัติคลายธาตตุ วั แรกของอนุกรม นิวแลนด ไดเ รียกอนุกรมนี้วา ‘the Law of Octaves’ แตก ฎดังกลาวใชไมไดกบั ธาตุหลงั แคลเซียมเปน ตน ไป 78 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

3. เมนเดเลเอฟ, ดมิทรี อิวาโนวชิ (Mendeleyev, D.I.) (1834-1907) นกั เคมชี าวรสั เซยี และไมเออร, ยลู อิ สุ โลทาร (Meyer, J.L.) (1830-1895) เมนเดเลเอฟ ไดพฒั นากฎพีรอิ อดิก (periodic law) โดย อาศัยสมบตั ทิ างเคมขี องธาตุ เรยี งลาํ ดับตามนํา้ หนกั อะตอม ในป ค.ศ. 1869 เขาไดน ําเสนอตารางธาตขุ น้ึ ครง้ั แรกใน เวลาใกลเ คียงกบั ไมเออร, ยูลิอุส โลทาร ไมเออร นกั ฟสกิ สชาวเยอรมนั ไดใหความสนใจในการจัดตารางธาตุอาศัย สมบตั ิทางกายภาพของธาตุ เชน จุดหลอมเหลว ปริมาตรเชงิ อะตอม (atomic volume) และได นําเสนอตารางธาตุในป ค.ศ. 1870 เมนเดเลเอฟนําเสนอตารางธาตุ ดงั รปู ที่ 4.8 เรยี งลําดบั ตามนาํ้ หนักอะตอม จากนอยไปมาก ดงั กฎพีริออดิกทีว่ า “สมบตั ทิ างเคมีและทางกายภาพของธาตเุ ปน ฟงกช ันพรี ิ ออดกิ แบบเปน คาบๆ กับน้ําหนัก” ตอ มาเมนเดเลเอฟไดร ับการเสนอชอ่ื เขา รบั รางวลั โนเบล ในป ค.ศ. 1906 รปู ที่ 4.8 ตารางธาตขุ องเมนเดลิอีฟ ในป ค.ศ. 1872 สวนทเ่ี วนวา งไวสาํ หรบั ธาตุทย่ี ังไมพ บใน ขณะนัน้ และทาํ นายสมบัติของธาตุดงั กลาวไดอ ยางถกู ตองในเวลาตอมา สัญลักษณท ่ี อยูดานบนของแตละชอ ง (เชน R2O และ RH4) เปน สูตรโมเลกลุ ท่เี ขยี นในปทศวรรษ CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 79

การจัดตารางธาตขุ องเมนเดลิอฟี ยังสามารถทาํ นายธาตุทเี่ วน วา งไวได ลว งหนา เชน ไดท ํานายธาตทุ ยี่ ังไมเคยคน พบที่อยดู า นลางของธาตอุ ลูมเิ นยี ม โบรอน และ ซิลิกอน โดยใชช อ่ื eka-Al eka-B และ eka-Si ตามลาํ ดบั และตอ มามนี กั วทิ ยาศาสตรไ ด คน พบธาตทุ ั้งสามทมี่ ีสมบตั ติ ามท่เี มนเดลอิ ฟี ไดทาํ นายไว ธาตุท้ังสามคือ แกลเลยี ม (Gallium, eka-Al) สแกนเดียม (Scandium, eka-B) และเจอรม าเนียม (Germanium, eka-Si) 4. เซอร วลิ เลยี ม แรมเซย (Ramsay, Sir William) (1852- 1916) นกั เคมชี าวอังกฤษ เปนผทู ี่คนพบธาตุอารกอน (Ar) ในป 1894 และยังพบกา ซเฉื่อยอ่ืนๆ ซ่ึงทําใหไดรับรางวลั โนเบลในป 1904 การคน พบธาตุอารกอน (นา้ํ หนักอะตอม 39.9) จดั อยูใน กลุมกา ซเฉอื่ ย และอยกู อนธาตุโพแทสเซียม (นาํ้ หนักอะตอม 39.1) ซ่ึงแสดงถงึ วาสมบตั ขิ องธาตุไมจ ําเปนตอ งเปน ฟงกช นั กบั นํ้าหนกั เสมอไป 5. โมสลยี , เฮนรี จี เจ (Moseley, Henry G. J.) (1887- 1915) นักเคมีชาวองั กฤษ เปน ลกู ศษิ ยข องรทั เทอรฟ อรด ในป ค.ศ. 1913 ไดศึกษาโครงสรา งอะตอมของธาตตุ า งๆ จากเสน สเปกตรมั ของรงั สีเอกซ และไดค น พบจํานวนของ ประจบุ วกในนวิ เคลียส เปน ท่มี าของเลขเชิงอะตอม โดยมี ความสัมพันธร ะหวา งความถี่ของเสน สเปกตรัมและเลขเชงิ อะตอมของธาตเุ ปน สมการเชงิ เสน ดงั รปู ท่ี 1.2 โดยรากที่ สองของความถ่ขี องเสนสเปกตรัมจะเพ่ิมข้ึนเปนคาคงที่จาก ธาตุหนง่ึ ไปยงั อีกธาตุหน่งึ ตามลําดับ จากการศึกษาเลข เชงิ อะตอมของธาตุทําใหสามารถแกปญ หาเรอื่ งการ เรียงลําดับธาตุทีไ่ มเปน ระบบตามน้ําหนกั อะตอมได 80 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

รปู ท่ี 4.9 แสดงความสมั พันธระหวางความถีข่ องเสนสเปกตรัมและเลขเชิงอะตอมของธาตุ 4.7 การจดั ตารางธาตุ ตารางธาตใุ นปจจุบัน ในตารางมีการจัดเรียงธาตตุ ามลาํ ดับแนวนอน ซง่ึ เรียกวาคาบ (periods) แตล ะคาบมีความยาวแตกตา งกนั สว นในแนวดง่ิ ของตารางเรียกวา หมู (groups) โดยมคี วามสัมพันธก บั สมบัตขิ องธาตทุ ง้ั ทางเคมแี ละทางกายภาพตามกฎพรี ิออ ดิกทวี่ า “เมื่อนําธาตมุ าเรยี งลําดบั เปนหมวดหมจู ากเลขเชงิ อะตอมนอยไปหามาก สมบัติทางเคมีและทางกายภาพจะแปรผันไปอยา งพรี ิออดิกตามเลขเชงิ อะตอมท่ี เพม่ิ ขน้ึ ” CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 81

82 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

คาบ ในตารางธาตมุ ีทัง้ หมด 7 คาบ โดยมจี ํานวนธาตุในแตละคาบแตกตาง กนั ดงั ตารางท่ี 1.2 พบวาเรมิ่ ตง้ั แตค าบท่ี 4 เปนตน ไป จะมีธาตุทรานซชิ นั (transition elements) ประกอบอยูดว ย ตารางท่ี 1.3 พรี ิออดิกของธาตใุ นตารางธาตุตามคาบ คาบที่ จํานวนของธาตุ 12 28 38 4 18 5 18 6 32 7 32 หมู เปนชอ่ื เรยี กสาํ หรบั ธาตใุ นตารางธาตุท่อี ยใู นแนวดง่ิ เดียวกนั มที ัง้ หมด 18 หมู การเรียกชื่อแตล ะหมู มีสองวิธคี ือ 1. ทางการคา ชอ่ื เรียกแตล ะหมูจะใชตวั เลขโรมัน และตวั อกั ษร A และ B กํากบั เชน IA IIA IIIB เปน ตน 2. ระบบ IUPAC (The International Union of Pure and Applied Chemistry) มกี ารเรียกชือ่ ใหมต ามระบบจาํ นวนนบั คอื หมูที่ 1-18 CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 83

ธาตทุ อี่ ยใู นหมูเดียวกนั จะมีจํานวนอิเลก็ ตรอนท่อี ยใู นรอบนอกสดุ หรือ ”วา เลนซอ ิเลก็ ตรอน” เทากบั ตวั เลขของหมนู ัน้ ๆα เชน โลหะในหมทู ่ี 1 หรอื IA ธาตหุ มู 1 จาํ นวน การจัดเรียงอิเล็กตรอน** วาเลนซ- อเิ ลก็ ตรอน อเิ ลก็ ตรอน ลิเทยี ม, Li 3 1s2 2s1 1 1 โซเดียม, Na 11 1s2 2s2 2p6 3s1 1 1 โปแตสเซียม, K 19 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 รูบเิ ดียม, Rb 37 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s24p6 5s1 ** อเิ ล็กตรอนที่อยูว งนอกสุดจะพิมพต ัวหนา ลิเทยี ม (Li) มอี ิเล็กตรอน 3 อิเล็กตรอน และวาเลนซอ ิเล็กตรอนเทา กับหน่งึ เปนธาตทุ ี่อยูใ นหมูท ่ี IA เชน เดยี วกบั โซเดียม (Na) มอี ิเลก็ ตรอน 11 อิเล็กตรอน มีวาเลนซ อิเลก็ ตรอนเทา กบั 1 เปนตน 4.8 ลักษณะทสี่ ําคัญของแตละหมู โลหะ Li หมูท่ี 1 (IA) โลหะแอลคาไล (Alkali metals) Na • มีวาเลนซอิเลก็ ตรอนเทากบั 1 K • ทําปฏกิ ริ ยิ ากบั น้ําเยน็ ไดสารละลายเบสแอลคาไลไฮดรอกไซด Rb Cs • มคี วามเปนโลหะสูง สามารถดงึ เปน เสนได Fr • ไฮโดรเจนไมจ ดั เปน โลหะแอลคาไล α เกณฑนี้ไมส ามารถใชไดก ับธาตทุ รานซชิ ัน CM 103 84 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ

Be หมูท ่ี 2 (IIA) โลหะแอลคาไลน เอิรธ (Alkaline earth metals) Mg Ca • มวี าเลนซอิเลก็ ตรอนเทา กบั 2 ไดแก Be Mg Ca Sr Ba Ra Sr • มีความเปน โลหะสงู สามารถดงึ เปน เสนได Ba • ในธรรมชาติไมพบธาตทุ ี่เปน อสิ ระ Ra • สามารถเกดิ สารประกอบแอลคาไลนอ อกไซดและไฮดรอกไซด หมูท่ี 3-12 (IIIB-VIIIB,IB-IIB) โลหะทรานซชิ นั (Transition metals) • มวี าเลนซอิเลก็ ตรอนเทา กบั 2 • มเี ลขออกซิเดชนั มากกวาหนึง่ คา • สามารถทําปฏกิ ิรยิ ากบั ออกซิเจนไดสารประกอบออกไซด • เกิดสารประกอบสวนใหญม สี ี • มธี าตทุ รานซชิ นั ชัน้ ในประกอบดวย โลหะทรานซิชันชั้นใน (Inner transition metals) หรอื โลหะแรรเ อริ ธ (Rare earth metals) • ธาตุหนักอยใู นสองแถวตอนลางของตารางธาตุ • มีอิเล็กตรอน 2 อิเลก็ ตรอน ในวงนอก • เลขออกซิเดชนั เรม่ิ ตนทค่ี า +3 • ประกอบดว ยอนุกรม 2 อนกุ รม คอื 1. อนกุ รมแลนธาไนด (Lanthanide series) ธาตุท่ี 57-71 ƒ เปน ธาตุในคาบท่ี 6 ƒ โลหะทน่ี ําไฟฟา ไดส งู 2. อนุกรมแอกทิไนด (Actinide series) ธาตทุ ี่ 89-103 ƒ เปนธาตใุ นคาบที่ 7 ƒ โลหะในอนุกรมนีท้ ั้งหมดเปน ธาตกุ มั มนั ตภาพรังสี CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 85

อโลหะ B หมทู ่ี 13 (IIIA) หมูโ บรอน (Boron family) Al • มวี าเลนซอิเลก็ ตรอนเทา กบั 3 • อลูมิเนียม (Al) เปน โลหะทพี่ บสว นใหญ Ga • ใชใ นการแกน าํ้ กระดา ง In Ti • ใชท าํ สารกึง่ ตวั นํา หมทู ่ี 14 (IVA) หมูคารบ อน (Carbon family) • มวี าเลนซอิเลก็ ตรอนเทากบั 4 ไดแ ก C Si Ge Sn Pb • ซิลิคอน (Si) เปนธาตกุ ึง่ โลหะ เปนธาตทุ พี่ บมาก • พบในเพชรและกราไฟต N หมูท่ี 15 (VA) หมไู นโตรเจน (Nitrogen family) P As • มีวาเลนซอ เิ ลก็ ตรอนเทา กบั 5 Sb • ไนโตรเจนเปน ธาตทุ ่พี บในกา ซมากทสี่ ดุ ในธรรมชาติ Bi • สวนใหญเ ปนสารประกอบโควาเลนท O หมูที่ 16 (VIA) หมอู อกซิเจน (Oxygen family) S • มีวาเลนซอิเลก็ ตรอนเทา กบั 6 Se Te • มอี อกซเิ จนเปน ธาตทุ พี่ บมากที่สุดในธรรมชาติ Po • ออกซเิ จนเปนธาตทุ ใ่ี ชใ นการเผาไหม F หมทู ี่ 17 (VIIA) หมแู ฮโลเจน (Halogen family) Cl • มวี าเลนซอิเลก็ ตรอนเทากบั 7 Br • แฮโลเจนสามารถทําปฏกิ ิรยิ ากบั โลหะไดส ารประกอบเกลือ I • ธาตทุ ุกธาตใุ นหมแู ฮโลเจนเปน อโลหะ At • ฟลูออรีนและคลอรนี มีสถานะเปน กา ซทอี่ ณุ หภมู ิหอง 86 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

He หมทู ่ี 18 (VIIIA) หมูก า ซเฉือ่ ย (Nobel gasses family) Ne • มีวาเลนซอเิ ลก็ ตรอนเทากบั 8 Ar • มกี ารจดั เรียงอิเล็กตรอนครบแปด จงึ ไมสามารถทําปฏิกริ ยิ ากับธาตุ Kr อืน่ ไดอกี นิยมใชป องกนั การเกิดปฏกิ ิรยิ าของโลหะ • ทกุ ธาตเุ ปนกา ซไมมีสี ¾ การอา นตารางธาตุ เมอื่ พิจารณาตารางธาตุ พบวา ในชองของแตล ะธาตุ ประกอบดวย ชอื่ สัญลกั ษณ เลขเชงิ อะตอม และมวลเชิงอะตอม ดังตวั อยา งเชน 6 เลขเชงิ อะตอม (atomic number) C สญั ลักษณข องธาตุ (symbol of element) Carbon ชอ่ื ธาตุ (name of element) 12.01 มวลเชิงอะตอมเฉลย่ี (average atomic mass) เลขเชงิ อะตอม เปนจาํ นวนโปรตอนในนิวเคลยี สของอะตอมของธาตนุ ัน้ ๆ ซึง่ มคี า เทากบั จํานวนอิเลก็ ตรอนในอะตอมดว ย ในตารางธาตุมีท้ังหมด 7 คาบ มวลเชงิ อะตอมเฉลย่ี เปน ตวั เลขแสดงมวลของอะตอมของธาตุ โดย เปรยี บเทยี บกบั มวลของอะตอมของธาตมุ าตรฐาน ท้งั นี้เนอ่ื งจากมวลของอะตอมแตล ะธาตมุ คี า นอยทําใหไ มสามารถชั่งนํา้ หนกั ไดโดยตรง เชน ไฮโดรเจนมีมวลของอะตอม 1.66x10-24 กรมั ออกซเิ จนมีมวลของอะตอม 2.65X10-24 กรัม ดงั น้ันดาลตนั จงึ เสนอใหห ามวลของอะตอมจาก การเปรยี บเทยี บกับมวลเชงิ อะตอมของธาตุไฮโดรเจน โดยกําหนดหนว ยเปน หนวยมวล อะตอม (amu<, atomic mass unit) โดยทใ่ี หไ ฮโดรเจน 1 อะตอม มมี วลเปน 1 หนวยมวล < 1 amu = 1 D (Dalton) คาํ นวณจากเลขอะโวกาโด (6.022 x 10-23) CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 87

มวลเชงิ อะตอมของธาตุ = มวลของธาตุ 1 อะตอม มวลของไฮโดรเจน 1 อะตอม ตอ มานักวิทยาศาสตรไ ดมขี อ ตกลงใชคารบ อน-12[ เปน อะตอมของธาตุ มาตรฐานในการเปรยี บเทียบมวลเชงิ อะตอม เพราะคารบอนสามารถทาํ ปฏิกริ ยิ ากับธาตอุ ืน่ ๆ เกิดเปนสารประกอบไดจํานวนมาก โดยกาํ หนดให หนงึ่ อะตอมของคารบ อน-12 มมี วล = 12 หนว ยมวลอะตอม (amu) 1 amu = มวลเชงิ อะตอมของคารบ อน-12 12 = 1.66 x 10-24 กรมั ดงั นน้ั คาของมวลเชิงอะตอมของธาตุใดๆ จึงเขียนเปน ความสัมพันธไดดงั นี้ มวลเชิงอะตอมของธาตุ = มวลเชงิ อะตอมของธาตุ 1 อะตอม 1/12 มวลเชงิ อะตอมของคารบอน-12 แตล ะธาตใุ นธรรมชาตินนั้ มหี ลายไอโซโทป และแตล ะไอโซโทปก็มปี ริมาณท่ีแตกตางกัน และ เพ่ือใหส อดคลองกบั คา มวลเชิงอะตอมของธาตุทีป่ รากฏในธรรมชาติ คา มวลเชิงอะตอมของ ธาตใุ ดๆ ในตารางธาตุจงึ เปนคา มวลเชงิ อะตอมเฉลยี่ ที่ขนึ้ อยูกบั คา มวลเชิงอะตอมและปริมาณ ของแตละไอโซโทปที่พบในธรรมชาติ ปจจบุ ันนกั วทิ ยาศาสตรหามวลเชิงอะตอมและปรมิ าณ ของไอโซโทปของธาตุโดยใชเ ครือ่ งมือท่ีเรยี กวา แมสสเปกโตรมเิ ตอร (massspectrometer) เพือ่ ใหไดคาทแ่ี นน อนและมคี วามถูกตองสูง มวลเชงิ อะตอมของธาตุ = Σ (มวลธาตุ × ปริมาณ%ของไอโซโทป) 100 [ C-12 เปนคารบอนไอโซโทปที่มปี รมิ าณมากทส่ี ุดในธรรมชาติ 88 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

ตวั อยา งเชน การคาํ นวณหามวลเชิงอะตอมของคารบ อน จากขอ มลู ตอไปน้ี ไอโซโทป มวลอะตอม %ทีม่ อี ยใู นธรรมชาติ 12.00000 98.89% 12C 13.00335 1.11% 13C มวลอะตอมของธาตุคารบ อน = (12.0000 × 98.93) + (13.00335×1.11) 100 = 12.01 amu 4.9 ประโยชนของตารางธาตุ ธาตใุ นตารางธาตุมีความสมั พันธก ัน ตามสมบตั ทิ สี่ าํ คญั ๆ ในแตล ะหมู แตละ คาบ สามารถพิจารณาถงึ แนวโนมของธาตตุ า งๆ ได และยังนํามาใชประโยชนใ นการทาํ นาย สมบตั ขิ องธาตุ สูตรของสารประกอบ ตลอดจนการเกดิ สารประกอบไดอกี ดว ย เชน ธาตทุ อี่ ยู ในหมูเ ดยี วกนั เมือ่ เกดิ เปนสารประกอบจะมสี ตู รของสารประกอบคลายกัน ดงั เชน แคลเซยี ม และเรเดียมเปน ธาตทุ ีอ่ ยูในหมู IIA เชนเดยี วกัน เม่อื เกดิ การรวมตวั กบั โบรมีน จะได สารประกอบแคลเซียมโบรไมด (CaBr2) และเรเดยี มโบรไมด (RaBr2) ตามลาํ ดับ ซงึ่ ความสมั พันธข องธาตนุ ้ันทาํ ไดโดยการเปรียบเทียบจากซา ยไปขวา และจากบนลงลางของ ตารางธาตุ สมบตั ทิ ่สี าํ คญั ของธาตุ ไดแก 1. สมบตั กิ ารนาํ ไฟฟา ธาตุทมี่ คี วามสามารถในการนาํ ไฟฟา ไดดี จะมคี วามเปน โลหะสงู สวน ธาตุทไ่ี มนาํ ไฟฟา เปน พวกอโลหะ เมื่อพจิ ารณาจากธาตใุ นตารางธาตุพบวาถา แบง ตามเกณฑ การนาํ ไฟฟาได 3 จาํ พวก คือ โลหะ (metal) อโลหะ (non-metal) และก่งึ โลหะ (metalloid) ซงึ่ นําไฟฟาไดเ ฉพาะทอี่ ุณหภมู สิ ูง จงึ มกั นยิ มใชเ ปน สารกงึ่ ตัวนาํ (semiconductors) แนวโนม ความเปน โลหะจะลดลงจากซา ยไปขวา แตนาํ ไฟฟา เพมิ่ ขนึ้ จากบนลงลา ง เมอ่ื เลขเชงิ อะตอมเพิ่มขน้ึ 2. ขนาดอะตอมและไอออน ขนาดอะตอมและไอออนของธาตุ ใชร ศั มีอะตอม (atom radius) เปน ตวั กําหนดขนาด ซง่ึ รัศมอี ะตอมหาไดจากระยะหางระหวา งอะตอมหน่งึ ถงึ อีกอะตอมหน่งึ ของ CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 89

แนวโนม ขนาดของอะตอมและความเปนโลหะ โลหะสูง 3. พลงั งานไอออไนเซชัน (Ionization energy) พลงั งานไอออไนเซชนั หมายถึงพลงั งานทีใ่ ชในการดึงอเิ ลก็ ตรอนจาก อะตอมอิสระในสถานะกา ซทส่ี ภาวะพ้ืน ทําใหเ กดิ เปนไอออนบวก หรือ พลังงานทใี่ ชใ นการ แตกตวั เปนไอออนของอะตอมอิสระนั่นเอง เขยี นเปน สมการท่ัวไปไดดงั น้ี พลงั งาน + M(g) → M+(g) + e- พลังงานไอออไนเซชนั ของอะตอมมีไดหลายคา ขนึ้ อยกู บั วาดึงอิเล็กตรอน ตวั ใด พลังงานไอออไนเซชันที่ดงึ อิเลก็ ตรอนตวั ทอี่ ยไู กลจากนวิ เคลยี สมากที่สดุ (พลงั งานไอ ออไนเซชนั ทหี่ น่ึง) จะมีคา ต่ําที่สุด และมีแนวโนม เพมิ่ ข้นึ จากซายไปขวาของตารางธาตุ (ตาม หวั ลกู ศร) ทงั้ นเี้ พราะขนาดของอะตอมทเี่ ล็กลงทาํ ใหนวิ เคลียสสามารถดึงดูดอเิ ล็กตรอนไวได ดี ดงั ตาราง 90 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

พลังงานไอออนไนเซชันทห่ี นึ่ง พลังงานท่ีใชดงึ อเิ ลก็ ตรอนตวั แรกออกจากอะตอม 4. สมั พรรคภาพอิเลก็ ตรอน (Electron Affinity) สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนหมายถงึ พลงั งานท่เี ปลย่ี นไปเม่ืออะตอมใน สถานะกา ซรบั อเิ ลก็ ตรอนเขาไปหนึ่งตวั ทําใหเ กิดเปนไอออนลบ ดงั สมการทว่ั ไป M(g) + e- → M-(g) + พลังงาน ดงั เชนฟลูออรนี เมอ่ื รบั หนึ่งอิเลก็ ตรอน จะเกดิ เปนฟลอู อไรดแ ละทาํ ใหเ กดิ การเปล่ียนแปลงพลงั งานโดยคายพลังงานออกมาเทากบั 331.4 kJ/mol F(g) + e- → F-(g) ΔHo = 331.4 kJ/mol CM 103 โครงสรา งอะตอมและตารางธาตุ Š 91

แนวโนม สัมพรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนของธาตใุ นตารางจะเพมิ่ ขึน้ จากซา ยไป ขวา และลดลงจากบนลงลา งของตารางธาตุ 5. อิเล็กโตรเนกาติวิตี (Electronegativity) อเิ ล็กโตรเนกาตวิ ติ ีเปน ความสามารถของอะตอมในการดึงดูดอิเล็กตรอน เขา หาตวั มันเอง เปน สมบัตทิ สี่ ําคัญในการพจิ ารณาการเกดิ พันธะภายในโมเลกลุ ซง่ึ ไม สามารถวดั ไดโ ดยตรง ในป ค.ศ. 1930 ไลนสั พอลงิ (Linus Pauling, 1901-1994) นกั เคมี ชาวอเมรกิ นั ไดศ ึกษาเกย่ี วกบั การดึงดูดของอะตอมกับอิเล็กตรอน และไดรับรางวัลโนเบลในป ค.ศ. 1954 ความสามารถในการดึงดดู อิเลก็ ตรอนเขา หาตวั มันเองนั้นทําใหเกิดพนั ธะได แนวโนม ของคาอเิ ล็กโตรเนกาติวิตีของธาตุในตารางธาตุ จะเพ่ิมขน้ึ จากซายไปขวาและ ลดลงจากบนลงลาง เชนเดยี วกับคา สัมพรรคภาพอเิ ลก็ ตรอน เม่อื พิจารณาความแตกตางของอเิ ล็กโตรเนกาตวิ ติ ขี องธาตุทเ่ี กดิ เปน โมเลกุล สามารถทํานายพันธะภายในของโมเลกลุ ได ทาํ ใหแบงประเภทของพนั ธะภายในโมเลกุลไดดงั ตาราง ตารางที่ 4.4 แสดงการจาํ แนกประเภทของพันธะตามผลตา งของ EN ผลตา งของ EN ระหวางอะตอม ชนิดของพันธะ ตํ่ากวา 0.5 non-polar covalent 0.5 - 1.9 polar covalent มากกวา 1.9 ionic 92 Š โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ CM 103

1. พนั ธะไอออนิก (Ionic bond) เปนพันธะทเ่ี กดิ ขึน้ ระหวา งอะตอมท่มี ี คา อเิ ลก็ โตรเนกาติวติ ตี า งกันมากๆ ไดแ ก พันธะระหวางโลหะกบั อโลหะ โลหะมคี า อิเลก็ โตรเนกาตวิ ติ ตี ํา่ จงึ สูญเสียอเิ ล็กตรอนใหกบั อโลหะที่มีคา อเิ ลก็ โตรเนกาตวิ ติ สี งู ทําใหเ กิดเปน ประจบุ วกและลบตามลําดบั 2. พันธะโควาเลนท (Covalent bond) เปนพันธะทเี่ กดิ ข้ึนระหวา งอะตอม ทมี่ คี าอเิ ล็กโตรเนกาตวิ ติ เี ทา กนั หรอื ใกลเ คียงกนั ไดแ ก พนั ธะระหวางโลหะกบั โลหะ พนั ธะ ระหวา งอโลหะดวยกันเอง เกิดการใชอิเลก็ ตรอนรวมกนั ระหวา งนวิ เคลยี สทั้งสอง พนั ธะ ผลตา งของ EN อะตอมท่เี ปนลบ ชนิดของพันธะ H-H 0.0 N/A pure covalent C-H 0.4 C (weakly) polar covalent O-H 1.4 O polar covalent H-F 1.9 F polar covalent S-O 1.0 O polar covalent C-O 1.0 O polar covalent Al - C 1.0 C polar covalent Na - Cl 2.1 Cl ionic Mg - O 2.3 O ionic Mg - C 1.3 C polar covalent ∗EN คือ คา อเิ ล็กโตรเนกาตวิ ติ ี CM 103 โครงสรางอะตอมและตารางธาตุ Š 93