โครงสร้างอะตอม

เรอื่ ง โครงสรา้ งอะตอม

2

John Dalton นักวทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษ ได้เสนอ 3 แนวคดิ เกย่ี วกบั อะตอมทเ่ี รียกว่าทฤษฎอี ะตอม ในปี ค.ศ. 1803มใี จความสําคญั ว่า 1. สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคทเ่ี ลก็ ทสี่ ุด ซ่ึงไม่สามารถแบ่งแยกได้อกี เรียกว่า atom 2. อะตอมของธาตุชนิดเดยี วกนั ย่อมมสี มบัติ เหมือนกนั ทุกประการ(เช่นมมี วลเท่ากนั ) และมี สมบตั แิ ตกต่างจากอะตอมของธาตุอ่ืน 3. ไม่สามารถทาํ ให้อะตอมสูญหายหรือเกดิ ใหม่ได้

แบบจาํ ลองอะตอมของ Thomson ศึกษาและทดลองเกย่ี วกบั การนําไฟฟ้าของแก๊สในหลอดรังสีแคโทด J.J. Thomson* 4 (1856-1940) *นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษ

การทดลองของทอมสัน หลอดรังสีแคโทด 5

หลอดรังสีแคโทดของ Sir Joseph Jhon Thomson Thomson จงึ สรุปว่า อนุภาคไฟฟ้าทมี่ ปี ระจุลบเป็ น องค์ประกอบของอะตอมของธาตุทุกชนิด และเรียกชื่ออนุภาคนีว้ ่า Electron จากการทดลองของ Thomson จงึ หักล้างแบบจาํ ลองอะตอม ของ Dalton “อะตอมไม่ใช่สิ่งทเ่ี ลก็ ทส่ี ุด แต่ประกอบด้วย electron และอนุภาคอื่น” 6

แบบจําลองอะตอมของ Thomson  Joseph John Thomson ทาํ การทดลองโดยใช้หลอดแคโธด (Chathod Ray Tube)  อะตอม เป็ นทรงกลมของประจุบวก และมอี เิ ลก็ ตรอนฝังอยู่ทว่ั ทรงกลม  ค้นพบค่าประจุของอเิ ลก็ ตรอน  ประจุบวกเท่ากบั ประจุลบ 7

แบบจําลองอะตอม ของ Rutherford นกั วทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษทาํ การทดลอง ยงิ อนุภาคแอลฟาไปยงั แผน่ ทองคาํ บางๆมีความหนาเพียง 0.0004 mm เรียกการทดลองน้ีวา่ การกระเจิงรังสีแอลฟาของรัทเทอร์ฟอร์ด (Alpha Scattering Experiment) Ernest Rutherford (1871-1937) 8

ค.ศ. 1911(พ.ศ. 2454) Lord Ernest Ruthertford และ ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) และเออร์เนสต์ มาร์สเดน (Ernest Marsden) ร่วมกนั ทดลอง เกยี่ วกบั ทศิ ทางของการเคลื่อนทข่ี องอนุภาคแอลฟาทป่ี ระเทศองั กฤษ ในการ ทดลอง Rutherford ได้ใช้อนุภาคแอลฟายงิ ไปยงั แผ่นโลหะทองคาํ บางๆและ ใช้ฉากเรืองแสง ZnS เป็ นฉากรับ 9

การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด 10

 อะตอมมอี นุภาคประจุบวก(โปรตอน) รวมกนั อยู่ตรงกลางเรียกว่า นิวเคลยี ส และมี e- วงิ่ รอบๆ  e- มปี ระจุรวมเท่ากบั ประจุบวก อะตอมจงึ เป็ นกลาง  ปริมาตรส่วนใหญ่ของอะตอมเป็ นทวี่ ่าง จากการศึกษาแบบจาํ ลองอะตอมของ Rutherford ทาํ ให้ทราบว่า อะตอมประกอบไปด้วย อเิ ลก็ ตรอน และโปรตอน โดยอเิ ลก็ ตรอนจะวง่ิ อยู่ รอบๆส่วนโปรตอนจะรวมกนั อยู่ตรงกลางเรียกว่านิวเคลยี ส และมวลของ โปรตอนมคี ่ามากกว่ามวลของอเิ ลก็ ตรอนอยู่ประมาณ 1800 เท่า 11

แบบจาํ ลองอะตอมของ James Chadwick ต่ อมาในปี ค.ศ . 1932(พ .ศ . 2475) James Chadwick นักวิทยาศาสตร์อังกฤษได้เสนอว่ารังสีท่ีชน แผ่นพาราฟิ นจนได้ Proton ออกมาแสดงว่าอะตอมจะต้อง ประกอบไปด้วยอนุภาคมากกว่าโปรตอนและอิเล็กตรอน และต้ังช่ือให้อนุภาคใหม่ท่ีพบว่า neutron นอกจากนี้ chadwick ยังได้พสิ ูจน์ว่าอนุภาค neutron ไม่มีประจุ และ คาํ นวณได้ว่า neutron มมี วลใกล้เคยี งกบั Proton 12

แบบจาํ ลองอะตอมกลุ่มหมอก Erwin Schrödinger* 13 (1887 - 1961) * นกั ฟิ สิกส์ชาวออสเตรีย

แบบจาํ ลองอะตอมกลุ่มหมอก ใชค้ วามรู้พ้นื ฐานทางกลศาสตร์ควอนตมั มาสร้างสมการคล่ืน (Wave equation) เพ่ือคาํ นวณหาโอกาสที่จะพบอิเลก็ ตรอนในระดบั พลงั งาน ต่างๆ จากสมการคล่ืนทาํ ใหท้ ราบวา่ เราไม่สามารถบอกตาํ แหน่งท่ีแน่นอนของ อิเลก็ ตรอนได้ แต่อิเลก็ ตรอนจะกระจายอยทู่ วั่ ทุกทิศทุกทางของอะตอม ดงั น้นั แบบจาํ ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกจึงกล่าววา่ “อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสท่ีมี 14 ลักษณะ เป็ นทรงกลม บริเวณกลุ่มหมอกทึบแสดงว่าโอกาสท่ีจะ พบอิเลก็ ตรอน มมี ากและบริเวณกลุ่มหมอกจาง โอกาสทจ่ี ะพบ อิเลก็ ตรอนมนี ้อย”

แบบจาํ ลองอะตอมของบอห์ร เป็นนกั วทิ ยาศาสตร์ชาวเดนมาร์ก ไดศ้ ึกษา การเกิดสเปกตรัมของธาตุ พลงั งานไอออไนเซชนั Niels Bohr (1855 - 1962) 15

ทฤษฎอี ะตอมไฮโดรเจนของบอห์ร บอห์ร (Niels Bohr: 1885-1962) เสนอแนวคดิ เกย่ี วกบั โครงสร้างอะตอมของ ไฮโดรเจน โดยใช้แนวคดิ ของรัทเทอร์ฟอร์ดร่วมกบั ทฤษฎคี วอนตมั ดงั นี้ อะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วย นิวเคลยี สทม่ี อี เิ ลก็ ตรอนโคจร รอบๆนิวเคลยี สเป็ นวงกลม โดยมี รัศมี r และ อเิ ลก็ ตรอนทโี่ คจรอยู่น้ันจะ โคจรในลกั ษณะเป็ นช้ัน ๆ 16



อนุภาคมูลฐานของอะตอม อนุภาค สัญลกั ษณ์ ประจุไฟฟ้า ชนิด มวล (คูลอมบ์) ประจุไฟฟ้า (กรัม) อเิ ลก็ ตรอน e- 1.602 x 10-19 -1 9.109 x 10-28 โปรตอน P+ 1.602 x 10-19 +1 1.673 x10-24 นิวตรอน n 0 0 1.675 x 10-24 18

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ เลขมวล (A) เลขอะตอม P+ = e- (Z) 19

สัญลกั ษณ์นิวเคลยี ร์ (Atomic symbol) X A เลขมวล Z เลขอะตอม ตวั อย่าง จงเตมิ คาํ ตอบท่ถี กู ต้องในช่องว่าง สัญลักษณ์ 115X 198X2+ 2512X+ 126C2- 25656D โปรตอน 5 8 12 6 56 นิวตรอน 6 11 13 6 200 อเิ ล็กตรอน 5 8-2=6 12-1=11 6+2=8 56 20

เลขอะตอม (Atomic number, Z) คือ จาํ นวนโปรตอนในนิวเคลยี ส ของแต่ละอะตอมของธาตุ Z=p  ในอะตอมท่ี เป็ นกลาง จาํ นวนโปรตอนเท่ากับจาํ นวน อเิ ล็กตรอน ดงั นัน้ เลขอะตอมจงึ บอกpจ=าํ นeว- นอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมด้วย เลขมวล (Mass number, A) คือ ผลรวมของนิวตรอนและโปรตอนทมี่ อี ยู่ ในนิวเคลยี สของอะตอมของธาตุ A = p+n เลขมวล = จาํ นวนโปรตอน + จาํ นวนนิวตรอน = เลขอะตอม + จาํ นวนนิวตรอน 21

กฎข้อท่ี 1 การจดั เรียงอเิ ลก็ ตรอน จาํ นวน e- ท่ีมีไดม้ ากสุดในแต่ละระดบั พลงั งาน  22n2 2 8 18 32 50 ระดับพลังงานชัน้ ท่ี 1 2 3 4 5 กฎข้อท่ี 2 จาํ นวนอเิ ลก็ ตรอนชัน้ นอกสุด(valent e-) ห้ามเกนิ 8 22

จาํ นวนเวเลนต์อเิ ลก็ ตรอน บอกหมู่  11Na = 2 8 1  17Cl = 2 8 7  20Ca = 2 8 8 2  35Br =  53I = จาํ นวนชัน้ ของระดบั พลังงาน บอกคาบ  23V = 23

2n2 n =1 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ 2(1)2 = 2 n =2 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ 2(2)2 = 8 n =3 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ 2(3)2 = 18 n =4 สามารถบรรจอุ เิ ล็กตรอนได้ 2(4)2 = 32

3Li = 2,1 16S= 2,8,6 คาบ 2 คาบ 3 หมู่ 1 หมู่ 6 ระดบั พลงั งาน 2 ระดบั พลงั งาน 3 วาเลนซอ์ เิ ล็กตรอน 1 วาเลนซอ์ เิ ล็กตรอน 6

รูปร่างของออร์บทิ ลั -- s orbitals 1. s-orbital (l = 0; ml = 0)  รูปร่างของออร์บิทลั เป็นทรงกลม  ค่า n เพิ่มขนาดออร์บิทลั เพิม่  ขนาด 1s  2s  3s  4s … 1s 2s 1s 2s 26

รูปร่างของออร์บิทลั -- p orbitals 2. p-orbital (l = 1; ml = +1, 0, -1)  ลกั ษณะเป็นรูปดมั เบลหรือ lobe 2 lobe  p-orbital มี 3 ออร์บิทลั  px py pz  ค่า n เพิม่ ขนาดออร์บิทลั เพ่มิ ml = -1 (px) ml = 0 (py) ml = +1 (pz) z x 27

รูปร่างของออร์บทิ ลั -- d orbitals 3. d- orbital (l = 2; ml = +2,+1, 0,-1,-2)  ลกั ษณะเป็นรูปดมั เบลคู่ หรือ lobe 4 lobe d-orbital มี 5 ออร์บิทลั lobe อยรู่ ะหวา่ งแกน xy, xz, yz เรียกวา่ dxy, dxz, dyz orbitals lobe อยบู่ นแกน xy เรียกวา่ dx2 -y2 orbital lobe อยบู่ นแกน z เรียกวา่ dz2 orbital dxy, dxz, dz2 dyz, dx2-y2 28

รูปร่างของออร์บิทลั -- d orbitals  รูปร่างของ d-orbital 29

ระดบั พลงั งานของ Atomic Orbital  พลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนขนึ้ กบั ระดบั พลงั งานของออร์บิทลั ของ อเิ ลก็ ตรอนตวั น้ัน  ระบบ 1 อเิ ลก็ ตรอน เช่น H-อะตอม หรือไอออนอื่น ๆ ระดบั พลงั งานของออร์บิทลั ข้ึนกบั เลขควอนตมั หลกั (n) เท่าน้นั  atomic orbital ที่มี n เท่ากนั จะมีพลงั งานเท่ากนั เช่น 2s = 2px = 2py = 2pz <3s = 3pz=3dxy … 30

ระดบั พลงั งานของ atomic orbital  ระบบหลายอเิ ลก็ ตรอน ไดแ้ ก่อะตอมหรือไอออนที่มี e- สองตวั ข้ึนไป ระดบั พลงั งานของออร์บิทลั จะข้ึนกบั ค่า n,l 1s 2s 2p(3) 3s 3p(3) 4s 3d(5) 4p(3) … พลังงานเพ่มิ ขนึ้ 31

การบรรจุอเิ ลก็ ตรอนในออร์บิทัล  Na = 1s2 2s2 2p6 3s1  S = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 3d 3p 3s 4f 4d 4p 4s 2p 2s 1s 32

ลาํ ดบั การบรรจุ e-  บรรจุอเิ ลก็ ตรอนจากระดบั พลงั งานตาํ่ ก่อน  การบรรจุ e- ในออร์บทิ ลั ทม่ี พี ลงั งานเท่ากนั ให้บรรจุให้มี e- เดยี่ วมากทส่ี ุด 1s22sล2าํ 2ดpบั 6ก3าsร2บ3รpร6จ4ุอsา2จด3dูได10้จ4ากpผ6งั 5กsา2ร4เตdมิ10อ5เิ ลpก็ 6ต6รsอ2…น   10 18 36 54  ประจุบวก บรรจุอเิ ล็กตรอนให้ครบปกตแิ ล้วค่อย ดงึ อเิ ลก็ ตรอนออกจากวงนอกสุด (n มากสุด) ตาม จาํ นวนประจุบวก ประจุลบ เพ่มิ อเิ ลก็ ตรอนตามจาํ นวนประจุ แล้ว 33 บรรจุอเิ ล็กตรอนตามปกติ

ตวั อย่าง การบรรจุอเิ ลก็ ตรอน e- 1s 2s 2px 2py 2pz 3s H1  1s1 He 2   1s2 Li 3   1s2 2s1 C 6  1s2 2s2 2p2 O 8  1s2 2s2 2p4 Ne 10      1s2 2s2 2p6 Na 11       1s2 2s2 2p6 3s1 หรือ [Ne] 3s1 34

จงจัดเรียงอเิ ลก็ ตรอนของอะตอมต่อไปนี้ 1. 20Ca = 2 882 2. 38 Sr = 2 3. 17 Cl = 2 8 18 8 2 4. 54 Xe = 5. 35 Br = 2 87 6. 55 Cs = 7. 13 Al = 2 8 18 8 2 8. 32 Ge = 9. 19 K = 2 8 18 7 1 10. 7 N = 2 8 18 18 8 2 83 2 2 8 18 4 88 1 5