อะตอมและตารางธาตุ

บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 44 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ gสooง.glว/bนe2Mส5ทิ1 ธคิ์โ�ำ ถดายมสด�ำสัดกคสาัญแรวศปึกทษลส.างงโควหรหงน้าสรรสมือ้างทิเจอผธะ้ายติโ์หอดแมนพยผา่า่ ดรนยสหัด่ สทลแอว้าดปทซรังลส.้างแี คหหโท้ารดมอื เจผา้ ยหแนพ่ารย่ ทา้ ซ้า 1. นกั วทิ ยาศาสตร์มวี ิธีการศกึ ษาโครงสร้างอะตอมซึง่ มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าไดอ้ ยา่ งไร 2. ตารางธาตมุ ีวิวฒั นาการอยา่ งไร และการจัดธาตเุ ปน็ กล่มุ มปี ระโยชน์อยา่ งไร 3. ธาตแุ ต่ละชนิดในตารางธาตมุ สี มบัติเป็นอยา่ งไร และน�ำ ไปใช้ประโยชน์อะไรไดบ้ า้ ง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ 45 จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ 1. สบื ค้นข้อมลู และอธบิ ายความหมายของแบบจำ�ลองอะตอม พรอ้ มทั้งบอกสาเหตทุ ที่ �ำ ให ้ ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้า แบบจำ�ลองอะตอมมีการเปลี่ยนแปลง 2. อธบิ ายแบบจ�ำ ลองอะตอมของดอลตนั ทอมสนั รทั เทอรฟ์ อร์ด โบร์ และแบบกลมุ่ หมอก 3. เขยี นและแปลความหมายสญั ลักษณ์นวิ เคลยี ร์ของธาตุ 4. อธิบายความหมายและยกตัวอย่างไอโซโทปของธาตุ 5. บอกความแตกตา่ งของระดับพลังงานหลกั พลงั งานย่อย และออร์บิทัล สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรอื จา้ หน่าย6. จัดเรียงอเิ ล็กตรอนในอะตอมเมอื่ ทราบเลขอะตอมของธาตุ พรอ้ มทง้ั ระบุ หมู่ คาบ และ กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ 7. บอกแนวคดิ ของนกั วทิ ยาศาสตรใ์ นยคุ ตา่ ง ๆ เก่ียวกับการจัดธาตุเป็นหมวดหม่จู นได้เป็น ตารางธาตุ พร้อมทั้งระบุปญั หาของการจัดกลมุ่ ธาตุ ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซา้8. จ�ำ แนกธาตเุ ปน็ กลมุ่ โลหะ อโลหะ และกง่ึ โลหะ หรอื เปน็ กลมุ่ ธาตเุ รพรเี ซนเททฟี หรอื ธาต ุ หมูห่ ลกั และธาตแุ ทรนซิชัน หรอื ตามการจดั เรยี งอิเล็กตรอน เมอื่ ทราบเลขอะตอม 9. วิเคราะห์และสรุปแนวโน้มสมบัติต่าง ๆ ของธาตุตามหมู่และคาบเกี่ยวกับขนาดอะตอม รศั มไี อออน พลงั งานไอออไนเซชนั อเิ ลก็ โทรเนกาตวิ ติ ี สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนพรอ้ มทง้ั อธิบายเหตุผลประกอบ สงวนสทิ ธโิ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ย10. เปรียบเทียบสมบัติบางประการของโลหะเรพรีเซนเททีฟหรือโลหะหมู่หลัก และโลหะ แทรนซชิ ัน 11. อธิบายสมบตั ิของไอโซโทปกัมมนั ตรงั สี รังสีแอลฟา รงั สีบตี า และรงั สีแกมมา 12. ค�ำ นวณครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมนั ตรงั สี ดัดแปลง13. สืบค้นข้อมูลและยกตัวอย่างการนำ�ธาตุมาใช้ประโยชน์ รวมทั้งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต และสิง่ แวดล้อม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ เคมี เลม่ 1 46 ตรวจสอบความรู้ก่อนเรียน 1. สารท่กี �ำ หนดให้ตอ่ ไปนเี้ ป็นธาตหุ รือสารประกอบหา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าลำ�ดับ 1 สาร ธาตุ สารประกอบ สงวนสทิ ธ์โิ ดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ย2Ca 3H₂O 4He ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้า5Fe 6H₂ สงวนสทิ ธิโ์ ดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ย7O₃ 8NaCl 9C₆H₁₂O₆ ดัดแปลง10โซดาไฟ โครเมยี ม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 47 2. แบบจ�ำ ลองอะตอมของนกั วิทยาศาสตรใ์ นยุคหน่ึงเปน็ ดังรปู จงนำ�ค�ำ ทีก่ �ำ หนดให้ เติมลง ในช่องวา่ งให้ถูกต้อง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้านวิ ตรอน อิเล็กตรอน นิวเคลียส บวก ลบ สงวนสิทธ์ิโดยดสัดสแวปทล.ง หรอื จ้าหน่าย หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้ามีประจไุ ฟฟ้าประกอบด้วย โปรตอน มปี ระจุไฟฟ้า เปน็ กลางทางไฟฟ้า สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ย3. ใส่เครื่องหมาย หน้าข้อความที่ถูกต้อง และทำ�เครื่องหมาย หน้าข้อความที่ ไม่ถกู ตอ้ ง ……. 3.1 ธาตุเปน็ สารผสม พบไดท้ งั้ สถานะของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ……. 3.2 โปรตอน นวิ ตรอน และอเิ ลก็ ตรอน เปน็ อนภุ าคทีพ่ บในอะตอมของธาตุ ดัดแปลง ……. 3.3 อเิ ล็กตรอนมีประจุบวก ……. 3.4 ธาตบุ างชนดิ สามารถแผ่รังสีได้ ……. 3.5 ทองแดงเปน็ โลหะทส่ี ามารถนำ�ไฟฟา้ ไดแ้ ละนิยมน�ำ มาทำ�สายไฟฟ้า สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ เคมี เล่ม 1 48 แนวคิดที่ว่า สิ่งต่าง ๆ ประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กมากและมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ได้เริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณ โดยดิโมคริตุส  (Democritus) ซึ่งเป็นนักปราชญ์ชาวกรีกผู้หนึ่งที่ได้ เสนอแนวคิดว่า ถ้าแบ่งสิ่งต่าง ๆ ให้มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ จะได้หน่วยย่อยซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็ก ลงไปได้อีกและเรียกหน่วยย่อยนี้ว่า อะตอม (atom) ซึ่งมาจากคำ�ในภาษากรีกว่า atomos แปลว่า หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้“แบง่ แยกอกี ไมไ่ ด”้ นกั วทิ ยาศาสตรม์ วี ธิ กี ารศกึ ษาเกย่ี วกบั โครงสรา้ งอะตอมซง่ึ มองไมเ่ หน็ ดว้ ยตาเปลา่ ได้อย่างไรจะได้ศึกษาต่อไป 2.1 แบบจำ�ลองอะตอม อะตอมมีขนาดเล็กมากและมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า กระบวนการได้มาซึ่งแบบจำ�ลองของ นักวิทยาศาสตร์เกี่ยวข้องกับกระบวนการใดบ้างศึกษาได้จากกิจกรรมต่อไปนี้ สงวนสทิ ธ์โิ ดย สสวท. หรือจา้ หน่ายกจิ กรรม 2.1 กระปอ๋ งปริศนา ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าจดุ ประสงคข์ องกจิ กรรม 1. สรา้ งแบบจ�ำ ลองเพอื่ อธิบายสง่ิ ท่ีมองไมเ่ หน็ 2. อธบิ ายสาเหตทุ ท่ี �ำ ให้องคค์ วามรู้หรือแนวคิดทางวิทยาศาสตรเ์ กดิ การเปล่ยี นแปลง สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรือจา้ หน่ายวัสดุและอปุ กรณ์ 1. กระปอ๋ งปริศนา ดดั แปลง 2. กระดาษ A4 วิธที ำ�กจิ กรรม ขณะทำ�กจิ กรรมห้ามแกะหรอื สอ่ งดสู ง่ิ ทอ่ี ยู่ในกระป๋อง 1. สงั เกตกระป๋องปรศิ นาดว้ ยตาเปลา่ อาจจบั และเขย่ากระป๋องได้แตห่ า้ มดงึ เชอื ก อภิปราย กบั เพื่อนในกลุ่ม สรุปและวาดรูปแบบจำ�ลองสง่ิ ทีอ่ ยู่ข้างในกระปอ๋ ง พรอ้ มขอ้ สรปุ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ 49 2. ดึงเชอื กหน่งึ เสน้ เบา ๆ ระวังอยา่ ให้เชอื กขาด อภปิ รายกบั เพื่อนในกล่มุ และวาดรูปแบบ จำ�ลองสิ่งท่อี ยูข่ า้ งในกระปอ๋ ง พร้อมขอ้ สรุป ทำ�ซ�้ำ จนครบ 4 เสน้ 3. ดึงเสน้ เชอื กพร้อมกันทีละ 2 เส้น และวาดรูปแบบจ�ำ ลองส่ิงท่อี ย่ขู า้ งในกระปอ๋ ง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้า4. แต่ละกลุ่มน�ำ เสนอรูปวาดแบบจำ�ลอง พร้อมอภปิ รายเหตผุ ลประกอบ คำ�ถามท้ายกจิ กรรม 1. กจิ กรรมนีเ้ ช่ือมโยงกับกระบวนการทำ�งานของนักวิทยาศาสตร์อยา่ งไร สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรือจา้ หน่าย2. นกั วิทยาศาสตรม์ กี ารใชแ้ บบจำ�ลองเมือ่ ใด 3. แบบจ�ำ ลองหรอื แนวคดิ ในการอธบิ ายปรากฏการณต์ า่ ง ๆ สามารถเปลยี่ นแปลงไดห้ รอื ไม่ อยา่ งไร ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้า จากกจิ กรรมอาจกลา่ วไดว้ า่ การไดม้ าซง่ึ ความรทู้ างวทิ ยาศาสตรน์ น้ั เกย่ี วขอ้ งกบั กระบวนการสบื เสาะ หาความรแู้ ละทกั ษะทางวทิ ยาศาสตร์ เชน่ การสงั เกต การตง้ั สมมตฐิ าน การทดลอง การลงความเห็น จากขอ้ มลู จากนัน้ จงึ น�ำ องคค์ วามร้เู หล่านั้นมาผสมผสานกบั จินตนาการ เพอ่ื สรา้ งเป็นแนวคิดหรอื แบบจ�ำ ลอง โดยแบบจ�ำ ลองทสี่ รา้ งขึน้ มาตอ้ งมีขอ้ มลู สนบั สนุน เพื่อใหเ้ กดิ ความน่าเชื่อถือและได้รับ การยอมรบั อยา่ งไรกต็ ามแนวคดิ หรอื แบบจ�ำ ลองทส่ี รา้ งขน้ึ มานน้ั สามารถเปลย่ี นแปลงได้ เมอ่ื มขี อ้ โตแ้ ยง้ สงวนสทิ ธิโ์ ดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ยหรอื มกี ารคน้ พบขอ้ มลู ใหมท่ ส่ี ามารถน�ำ มาอธบิ ายปรากฏการณต์ า่ ง ๆ ไดด้ กี วา่ เดมิ เชน่ เดยี วกบั การศกึ ษา โครงสร้างอะตอมซึ่งมีขนาดเล็กมากและมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้กระบวนการ สบื เสาะหาความรแู้ ละทกั ษะทางวทิ ยาศาสตรเ์ พอ่ื ใหไ้ ดม้ าซง่ึ ความรู้ จากนน้ั จงึ น�ำ ความรทู้ ไ่ี ดม้ าประกอบกบั จินตนาการเพ่ือสรา้ งเป็นแบบจำ�ลองโครงสรา้ งอะตอมท่ไี ดร้ บั การยอมรบั และงา่ ยต่อการเขา้ ใจ เมือ่ ดดั แปลงแบบจ�ำ ลองอะตอมเดมิ ไม่สามารถใช้อธบิ ายขอ้ มูลหรอื ผลการทดลองใหม่ แบบจำ�ลองอะตอมนัน้ ๆ กส็ ามารถเปล่ยี นแปลงได้ แบบจำ�ลองอะตอมมีววิ ฒั นาการดงั น้ี 2 .1.1 แบบจ�ำ ลองอะตอมของดอลตนั ในปี พ.ศ. 2346 จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นักวทิ ยาศาสตร์ชาวองั กฤษได้เสนอทฤษฎี อะตอม เพ่อื ใชอ้ ธิบายเก่ยี วกบั การเปลยี่ นแปลงมวลของสารก่อนและหลงั ทำ�ปฏิกิริยาเคมี รวมทงั้ อตั ราส่วนโดยมวลของธาตุท่ีรวมกนั เปน็ สารประกอบหน่ึง ๆ ซึ่งมีสาระส�ำ คัญดังนี้ 1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำ�ให้ สูญหายไม่ได้ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 50 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกนั มีสมบตั เิ หมือนกนั เชน่ มมี วลเท่ากัน แตจ่ ะมีสมบัตแิ ตกตา่ ง จากอะตอมของธาตุอ่นื 3. สารประกอบเกดิ จากอะตอมของธาตมุ ากกวา่ หนง่ึ ชนดิ ท�ำ ปฏกิ ริ ยิ าเคมกี นั ในอตั ราสว่ นทเ่ี ปน็ ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าเลขลงตวั นอ้ ย ๆ รปู 2.1 แบบจ�ำ ลองอะตอมตามทฤษฎขี องดอลตัน สงวนสิทธิ์โดย สสวท. หรือจ้าหน่าย ทฤษฎีอะตอมของดอลตันช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในสมัยน้ันสามารถอธิบายลักษณะและ สมบตั ขิ องอะตอมไดเ้ พยี งระดบั หนง่ึ ตอ่ มาไดม้ กี ารศกึ ษาเกย่ี วกบั อะตอมเพม่ิ ขน้ึ และคน้ พบวา่ มขี อ้ มลู ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าบางประการไมส่ อดคลอ้ งกบั แนวคดิ ของดอลตนั เชน่ พบวา่ อะตอมของธาตชุ นดิ เดยี วกนั มมี วลแตกตา่ ง กันได้ อะตอมสามารถแบ่งแยกได้ แนวคิดเกี่ยวกับทฤษฎีอะตอมของดอลตันจึงไม่ถูกต้อง 2.1.2 แบบจ�ำ ลองอะตอมของทอมสนั นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ศึกษาการนำ�ไฟฟ้าของแก๊ส โดยทดลองเกี่ยวกับผลของการใช้ สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหน่ายความตา่ งศกั ยไ์ ฟฟา้ สงู ตอ่ การเคลอ่ื นทข่ี องประจไุ ฟฟา้ ของอะตอมแกส๊ เพอ่ื ใหไ้ ดข้ อ้ มลู ทใ่ี หร้ ายละเอยี ด เกย่ี วกบั โครงสรา้ งภายในอะตอม โดยการผา่ นไฟฟา้ กระแสตรงเขา้ ไปในหลอดแกว้ บรรจแุ กส๊ ความดนั ต�ำ่ (ดดู อากาศออก) ซง่ึ ทภ่ี าวะนม้ี จี �ำ นวนอะตอมของแกส๊ ไมห่ นาแนน่ ประจไุ ฟฟา้ สามารถเดนิ ทางไดไ้ กล และพบวา่ เมอ่ื เพม่ิ ความตา่ งศกั ยร์ ะหวา่ งขว้ั ไฟฟา้ ใหส้ งู ขน้ึ จะมกี ระแสไฟฟา้ ไหลผา่ นตลอด ขณะเดยี วกนั ดัดแปลงจะมรี งั สอี อกจากแคโทดไปยงั แอโนด รงั สนี เ้ี รยี กวา่ รงั สแี คโทด (cathode ray) เรยี กหลอดแก้วชนดิ น้ี ว่า หลอดรังสีแคโทด (cathode ray tube) เนื่องจากมนุษย์ไม่สามารถมองเห็นรังสีแคโทดด้วย ตาเปลา่ ได้ ดงั นน้ั เพอ่ื ใหส้ ามารถตดิ ตามทศิ ทางการเคลอ่ื นทข่ี องรงั สแี คโทดได้ จงึ ตอ้ งฉาบสารเรอื งแสง เช่น ซิงค์ซัลไฟด์ ฟอสฟอรัส ไว้ที่ฉาก เมื่อรังสีแคโทดตกกระทบที่ฉากจะปรากฏเป็นจุดเรืองแสง ท่สี ามารถสงั เกตเหน็ ด้วยตาเปล่าได ้ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำ�การทดลองเพ่อื ศึกษาการเคล่อื นท่ขี องรังสีแคโทดโดยให้เคล่อื นท่ผี ่าน สนามไฟฟา้ ดงั รปู 2.2 ก) พบวา่ แนวการเคลอ่ื นทเ่ี บนไปจากเดมิ โดยเบนเขา้ หาขว้ั บวกของสนามไฟฟา้ เน่อื งจากรังสีแคโทดเบนเข้าหาข้วั บวกของสนามไฟฟ้าจึงสรุปว่ารังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคท่มี ี ประจุไฟฟ้าลบ เมื่อศึกษาเพิ่มเติมโดยให้รังสีแคโทดเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กดังรูป 2.2 ข) พบว่า แนวการเคลอ่ื นทเ่ี บนไปจากเดมิ เชน่ กนั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ 51 − แอโนด แคโทด สงวนสทิ คขก)))ธ์โิ ดยดสัดฉสาแกวเปรอืทงลสแ.สงงงวหหนNNา้ รสมอื ิทเจผ−ธ+า้ +ยิโ์หSSดแนเพยค่ารดรอ่ื ยสงัด่ก++สท+ำ�แเนวา้ ิดปทไซฟลฟ.า้−−−งา้ ศักหหย์สา้ รูงมือเจรผงั สา้ ยีแหคแโทนพดา่ รย่ ท้าซ้า รูป 2.2 การศึกษาแนวการเคลือ่ นทข่ี องรังสแี คโทด ก) แนวการเคล่ือนท่ขี องรงั สีแคโทดผ่านสนามไฟฟา้ ข) แนวการเคลื่อนท่ขี องรงั สีแคโทดผา่ นสนามแมเ่ หลก็ ค) แนวการเคลอื่ นทีข่ องรงั สแี คโทดผา่ นสนามแมเ่ หล็กและสนามไฟฟ้า สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เล่ม 1 52 ในชว่ งปี พ.ศ. 2440 โจเซฟ จอหน์ ทอมสนั (Joseph John Thomson) นกั วทิ ยาศาสตรช์ าวองั กฤษ ท�ำ การทดลองโดยใหร้ งั สีแคโทดเคลือ่ นทผ่ี ่านสนามไฟฟ้าท่ีต้ังฉากกับสนามแม่เหลก็ และปรับขนาด ของสนามไฟฟา้ ใหพ้ อเหมาะจนกระทง่ั ทศิ ทางการเคลอ่ื นทข่ี องรงั สแี คโทดไมเ่ บนไปจากแนวเดมิ ดงั รปู 2.2 ค) ซง่ึ สภาวะนแ้ี รงทเ่ี กดิ ขน้ึ จากสนามไฟฟา้ และสนามแมเ่ หลก็ มขี นาดเทา่ กนั แตม่ ที ศิ ตรงขา้ มกนั ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าจากข้อมูลการทดลองร่วมกับทฤษฎีทางแม่เหล็กไฟฟ้าทำ�ให้ทอมสันนำ�มาใช้คำ�นวณอัตราส่วนของ ประจุต่อมวล (e/m) ของรังสีแคโทดได้ ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาอัตราส่วนของประจุต่อมวล ของรังสีแคโทดซำ้�หลายคร้ังโดยเปลี่ยนชนิดของแก๊สและชนิดของโลหะท่ีใช้ทำ�ข้วั แคโทดปรากฏว่า อตั ราสว่ นของประจตุ อ่ มวลของรงั สแี คโทดมคี า่ โดยประมาณเทา่ กนั คอื 1.76 × 10⁸ คูลอมบต์ อ่ กรัม (C/g) จงึ สรปุ ว่าอนุภาครงั สีแคโทดที่ออกมาจากโลหะตา่ งชนิดเป็นอนุภาคชนดิ เดยี วกนั ซง่ึ ต่อมาได้ สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหน่ายเรียกอนุภาคนี้วา่ อเิ ล็กตรอน (electron) รหู้ รือไม่ ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้าในปี พ.ศ. 2429 ออยเกน โกลด์ชไตน์ (Eugen Goldstein) ได้ศึกษาหลอดรังสี แคโทดและได้ค้นพบรังสีแอโนด (anode ray) หรือรังสีแคแนล (canal ray) ซึ่งมีประจุ บวกแตย่ งั ลงรายละเอยี ดไมไ่ ดใ้ นยคุ นน้ั จากการคน้ พบของโกลดช์ ไตนแ์ ละการศกึ ษาเพม่ิ เตมิ ของนักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนในยุคต่อมา ทำ�ให้ได้ข้อสรุปว่าในอะตอมนอกจากมี สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจา้ หน่ายอิเล็กตรอนแล้วยงั มอี นภุ าคท่เี ป็นประจุบวกดว้ ยท�ำ ใหอ้ ะตอมเปน็ กลางทางไฟฟา้ การค้นพบอิเล็กตรอนทำ�ให้ทอมสันสรุปได้ว่า อะตอมทุกชนิดมีอิเล็กตรอนเป็นองค์ประกอบ ซึ่งลบล้างแนวคิดที่ว่าอะตอมแบ่งแยกไม่ได้ และเนื่องจากสารต่าง ๆ ที่อยู่ในสภาวะปกติจะเป็น ดดั แปลงกลางทางไฟฟา้ นักวิทยาศาสตร์จึงสรปุ วา่ อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า ซึง่ จากข้อมลู ดังกล่าวท�ำ ให้ ทอมสันเสนอแบบจ�ำ ลองของอะตอมวา่ อะตอมเปน็ รปู ทรงกลมประกอบดว้ ยเนอ้ื อะตอมซง่ึ มปี ระจุ บวกและอเิ ลก็ ตรอนซง่ึ มปี ระจลุ บกระจายอยทู่ ว่ั ไป ดงั รปู 2.3 อะตอมในสภาพทเ่ี ปน็ กลางทางไฟฟา้ จะมจี �ำ นวนประจบุ วกเทา่ กบั จ�ำ นวนประจลุ บ ทรงกลมท่มี ปี ระจุบวก รูป 2.3 แบบจำ�ลองอะตอมของทอมสนั อิเล็กตรอน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ 53 ทอมสันเป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่เสนอรายละเอียดภายในอะตอม ทำ�ให้มโนภาพของ อะตอมชัดเจนขึ้น อย่างไรก็ตามในช่วงเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้ทำ�การทดลองเพิ่มเติมและมี ข้อมูลเพิ่มขึ้น ซึ่งแบบจำ�ลองอะตอมของทอมสันไม่สามารถอธิบายได้ ห้ามเผยแพร่ ท้าซา้ 2.1.3 แบบจ�ำ ลองอะตอมของรัทเทอรฟ์ อรด์ เมื่อปี พ.ศ. 2454 เออรเ์ นสต์ รทั เทอรฟ์ อรด์ (Ernest Rutherford) นกั วิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ และ ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger)  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ไดพ้ สิ ูจน์แบบจ�ำ ลองอะตอมของ ทอมสันโดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังแผ่นทองคำ�บาง ๆ การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดสอดคล้อง หรือขัดแย้งกับแนวคิดของทอมสันอย่างไร ศึกษาได้จากกิจกรรม 2.2 สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ยกจิ กรรม 2.2 การทดลองของรัทเทอรฟ์ อร์ด ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้จดุ ประสงคข์ องกจิ กรรม 1. สบื ค้นขอ้ มูลและอธบิ ายการทดลองเพ่อื ศึกษาโครงสรา้ งอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด 2. อธบิ ายผลการค้นพบของรัทเทอรฟ์ อรด์ ว่าสนบั สนนุ หรือขัดแย้งกับแนวคิดของทอมสัน สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หรือจา้ หน่ายวสั ดุ และอปุ กรณ์ 1. กระดาษปรู๊ฟ ดดั แปลง 2. ปากกาเมจกิ วธิ ที �ำ กิจกรรม 1. สบื คน้ ขอ้ มลู สมมตฐิ าน และการทดลองของรทั เทอรฟ์ อรด์ ในการศกึ ษาโครงสรา้ งอะตอม 2. จดั ทำ�โปสเตอรน์ �ำ เสนอขอ้ มลู การสบื คน้ จากนน้ั น�ำ ไปตดิ แสดงในบริเวณทกี่ �ำ หนด 3. วางแผนการท�ำ งานกบั สมาชกิ ในกล่มุ โดย (อาจสลบั บทบาททกุ ๆ 5 นาท)ี บทบาทที่ 1 อยปู่ ระจ�ำ โปสเตอรเ์ พอื่ อธิบายข้อมูลใหก้ บั สมาชกิ จากกลุม่ อ่ืน บทบาทที่ 2 ชมการนำ�เสนอของกลมุ่ อ่นื พรอ้ มแลกเปลีย่ นข้อมลู 4. รว่ มกันสรปุ องคค์ วามร้ทู ี่ไดจ้ ากการท�ำ กิจกรรม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ เคมี เล่ม 1 54 คำ�ถามทา้ ยกจิ กรรม 1. รงั สีแอลฟาคืออะไร ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซา้ 2. สมมตฐิ านและการทดลองของรทั เทอรฟ์ อร์ดเป็นอยา่ งไร (วาดรปู การทดลองประกอบ) 3. เพราะเหตุใดในการทดลองของรัทเทอรฟ์ อรด์ ต้องทำ�แผน่ ทองค�ำ ให้เป็นแผน่ บาง ๆ จากกจิ กรรมนักเรียนไดท้ ราบแลว้ วา่ ผลการทดลองของรทั เทอรฟ์ อร์ดไม่สามารถอธิบายได้ สงวนสิทธิโ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่ายดว้ ยแบบจ�ำ ลองอะตอมของทอมสนั รทั เทอรฟ์ อรด์ อธบิ ายลกั ษณะภายในอะตอมวา่ การทร่ี งั สแี อลฟา สว่ นใหญผ่ า่ นแผน่ ทองค�ำ ไปได้ แสดงวา่ ภายในอะตอมตอ้ งมที ว่ี า่ งอยเู่ ปน็ บรเิ วณกวา้ ง การทร่ี งั สแี อลฟา บางอนภุ าคเบย่ี งเบนหรอื สะทอ้ นกลบั มาบรเิ วณดา้ นหนา้ ของฉากเรอื งแสง แสดงวา่ ภายในอะตอมนา่ จะมกี ลมุ่ อนภุ าคทม่ี ขี นาดเลก็ มาก มมี วลสงู มากกวา่ รงั สแี อลฟาและมปี ระจบุ วก รทั เทอรฟ์ อรด์ จงึ ได้ ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าเสนอแบบจ�ำ ลองอะตอมใหมว่ า่ อะตอมประกอบดว้ ยนวิ เคลยี สทม่ี ขี นาดเลก็ มากอยภู่ ายในและมี ประจไุ ฟฟา้ เปน็ บวก โดยมอี เิ ลก็ ตรอนเคลอ่ื นทอ่ี ยรู่ อบ ๆ ดงั รปู 2.4 สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ยนวิ เคลียส ดัดแปลงอิเลก็ ตรอน รปู 2.4 แบบจ�ำ ลองอะตอมของรทั เทอรฟ์ อรด์ ตามแบบจ�ำ ลองของรทั เทอรฟ์ อรด์ ภายในอะตอมมนี วิ เคลยี สซง่ึ มขี นาดเลก็ มาก เมอ่ื เทยี บกบั ขนาดของอะตอม รงั สแี อลฟาจงึ มโี อกาสชนนวิ เคลยี สไดน้ อ้ ยมาก สว่ นอเิ ลก็ ตรอนทอ่ี ยรู่ อบนวิ เคลยี ส มมี วลนอ้ ยมาก การชนกับอิเล็กตรอนจงึ ไมม่ ผี ลท�ำ ใหท้ ิศทางการเคลื่อนทข่ี องรังสีแอลฟาเปล่ยี นไป รงั สีสว่ นใหญ่จึงทะลแุ ผ่นทองคำ�ไปเปน็ แนวตรง มบี างครงั้ ที่รงั สแี อลฟาว่ิงเฉียดนวิ เคลยี ส ซึ่งจะถกู ประจุของนิวเคลียสผลกั ใหเ้ บนไปจากแนวเส้นตรง ส่วนรังสีแอลฟาที่วิ่งตรงไปยังนิวเคลยี สซ่ึงมมี วล มากกจ็ ะถกู ผลักให้สะทอ้ นกลบั ดังแสดงในรปู 2.5 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 55 นิวเคลยี ส รงั สีแอลฟา สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หห้ารมอื เจผา้ ยหแนพ่ารย่ ทา้ ซ้าอะตอมของทองค�ำ ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้ารูป 2.5 การใช้แบบจำ�ลองอธิบายผลการทดลองของรัทเทอรฟ์ อรด์ ตามแนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ดจะพบว่ามวลส่วนใหญ่ของอะตอมคอื มวลของนวิ เคลียส สว่ น อิเล็กตรอนถึงแม้จะเป็นส่วนประกอบที่ทำ�ให้อะตอมมีขนาดใหญ่แต่มีมวลน้อยมากจนถือว่าไม่มีผล สงวนสทิ ธิโ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่ายตอ่ มวลของอะตอม แบบจ�ำ ลองอะตอมของรทั เทอรฟ์ อรด์ ไมไ่ ดอ้ ธบิ ายวา่ อเิ ลก็ ตรอนอยรู่ อบนวิ เคลยี สในลกั ษณะใด นกั วทิ ยาศาสตรจ์ งึ ไดท้ �ำ การทดลองเพอ่ื รวบรวมขอ้ มลู เพม่ิ เตมิ เกย่ี วกบั ต�ำ แหนง่ ของอเิ ลก็ ตรอนเพอ่ื น�ำ มาสร้างเปน็ แบบจ�ำ ลองท่ีมคี วามสมบูรณ์มากย่ิงขน้ึ ดดั แปลง 2.1.4. แบบจำ�ลองอะตอมของโบร์ สเปกตรมั แมเ่ หล็กไฟฟ้าประกอบดว้ ยคล่ืนแมเ่ หล็กไฟฟ้าทมี่ ีความยาวคลืน่ ต่าง ๆ กัน และมี ความถีต่ ่อเน่อื งกันเปน็ ชว่ งกว้าง มที ง้ั ที่มองเห็นได้และมองไมเ่ หน็ มชี อ่ื เรยี กต่าง ๆ กัน แสงที่ประสาท ตาของมนุษย์สามารถรบั รูไ้ ดเ้ รยี กวา่ แสงที่มองเหน็ ได้ (visible light) มีความยาวคลืน่ อย่ใู นชว่ ง 400–700 นาโนเมตร ซึ่งประกอบดว้ ยแสงสีตา่ ง ๆ กัน แต่ประสาทตาของมนุษยไ์ มส่ ามารถแยกแสง ที่มองเหน็ เปน็ สตี า่ ง ๆ ได้เอง ทำ�ใหม้ องเหน็ สีรวมกัน ซึ่งเรยี กว่า แสงขาว (white light) และเม่อื ให้ แสงขาวส่องผา่ นปรซิ มึ แสงขาวจะแยกออกเปน็ แสงสรี ุง้ ตอ่ เน่ืองกนั เรยี กวา่ แถบสเปกตรมั ของแสง ขาว ดงั รปู 2.6 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 56 สงวนสทิ ธิ์โดยดสัดสแวปทลส.งงวหหนา้ รสมือิทเจผธ้ายโ์ิหดแนพยา่ รยส่ สทว้าทซ.้า หห้ารมือเจผา้ ยหแนพ่ารย่ ท้าซ้ารปู 2.6สเปกตรัมคลืน่ แมเ่ หล็กไฟฟา้ มกั ซ์ พลงั ค์ (Max Planck) นกั วทิ ยาศาสตรช์ าวเยอรมนั ไดศ้ กึ ษาพลงั งานของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ และไดข้ อ้ สรปุ เกย่ี วกบั ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ งพลงั งานของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ กบั ความถข่ี องคลน่ื นน้ั วา่ พลงั งานของคลน่ื แมเ่ หลก็ ไฟฟา้ แปรผนั ตามความถข่ี องคลน่ื และแปรผกผนั กบั ความยาวคลน่ื ดงั ความ ดัดแปลงสมั พนั ธต์ อ่ ไปน้ี E ν หรอื E = hν เนอ่ื งจาก ν= c λ ดงั นน้ั E = hc λ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ 57 เม่อื E คือพลงั งานของคล่ืนแม่เหลก็ ไฟฟา้ มหี น่วยเป็น จูล h คอื ค่าคงตวั ของพลังค์ มคี า่ 6.626 × 10-34 จูลวินาที ν คือความถ่ีของคลนื่ แม่เหล็กไฟฟ้า มหี นว่ ยเปน็ เฮิรตซ์ c คอื ความเร็วของคลนื่ แม่เหล็กไฟฟา้ ในสุญญากาศ ซ่งึ เทา่ กับ หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้ 2.997 × 108 เมตรต่อวินาที (อาจใช้ 3.0 × 108 เมตรต่อวนิ าที) และ λ คอื ความยาวคลนื่ ของคล่นื แม่เหลก็ ไฟฟา้ หน่วยเป็นเมตร ความสมั พนั ธ์ดงั กล่าวนี้ เมอื่ น�ำ มาค�ำ นวณพลงั งานของแถบสีตา่ ง ๆ ในสเปกตรัมของแสงขาว ซึ่งมีความยาวคล่นื ต่าง ๆ จะได้ดังนี้ สงวนสทิ ธ์โิ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่าย ตาราง 2.1 ชว่ งความยาวคลน่ื และพลังงานของแถบสีตา่ ง ๆ ในสเปกตรัมของแสงขาว แถบสี ความยาวคล่นื (nm) พลังงาน (kJ) 400 – 420 ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้ามว่ ง420 – 4904.96 × 10-²² – 4.73 × 10-²² 490 – 580 4.73 × 10-²² – 4.05 × 10-²² คราม – น�้ำ เงนิ 580 – 590 4.05 × 10-²² – 3.42 × 10-²² เขียว 590 – 650 3.42 × 10-²² – 3.36 × 10-²² เหลอื ง 650 – 700 3.36 × 10-²² – 3.05 × 10-²² 3.05 × 10-²² – 2.84 × 10-²² สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หรอื จ้าหน่ายแสด (ส้ม) แดง นักเรียนคิดว่าสเปกตรัมของธาตุจะมีลักษณะเป็นแถบสีรุ้งต่อเนื่องกันเหมือนแถบ ดดั แปลงสเปกตรัมของแสงขาวหรือไม่ และสเปกตรัมของธาตุต่างชนิดกันจะมีลักษณะเหมือนหรือต่างกัน อย่างไร ศึกษาได้จากกิจกรรมต่อไปนี้ กจิ กรรม 2.2 การทดลองของรทั เทอรฟ์ อร์ด สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ เคมี เลม่ 1 58 กิจกรรม 2.3 การทดลองการศกึ ษาเสน้ สเปกตรมั ของธาตุ หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าจดุ ประสงค์การทดลอง 1. ท�ำ การทดลองเพอ่ื ศกึ ษาสเปกตรมั ของแสงอาทติ ย์ แสงจากหลอดฟลอู อเรสเซนต์ และ แสงของหลอดบรรจแุ ก๊สชนดิ ตา่ ง ๆ 2. บอกความแตกตา่ งระหวา่ งสเปกตรมั ของแสงอาทติ ย์ แสงจากหลอดฟลอู อเรสเซนต์ และ สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ย แสงของหลอดบรรจุแก๊สชนดิ ตา่ ง ๆ วสั ดุและอุปกรณ์ 1. แผน่ เกรตตงิ ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้า2. ชุดศกึ ษาสเปกตรมั ของธาตุ 3. หลอดบรรจแุ กส๊ ชนิดตา่ ง ๆ เชน่ แก๊สไฮโดรเจน แกส๊ ฮีเลียม แกส๊ นอี อน ไอปรอท วธิ ที ดลอง สงวนสิทธ์โิ ดย สสวท. หรือจา้ หน่าย1. ใชแ้ ผน่ เกรตตงิ สอ่ งดแู สงอาทติ ย์ (หา้ มสอ่ งดดู วงอาทติ ยโ์ ดยตรง) สงั เกตสง่ิ ทป่ี รากฏแลว้ สอ่ งดแู สงจากหลอดฟลอู อเรสเซนต์ เปรยี บเทยี บสที ส่ี งั เกตไดจ้ ากการดแู สงทง้ั สองแหลง่ 2. เตรยี มอปุ กรณ์ส�ำ หรับศึกษาสเปกตรมั ของธาตโุ ดยใชช้ ุดศึกษาสเปกตรัม ดังรปู ชุดศึกษาสเปกตรมั ดัดแปลงเกรตติง หลอดบรรจุแกส๊ หมายเหตุ การศกึ ษาแสงจากหลอดฟลอู อเรสเซนตแ์ ละสเปกตรมั ของธาตุควรท�ำ ในที่มดื สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ 59 3. ใช้แผ่นเกรตติงส่องดูที่หลอดบรรจุแก๊สไฮโดรเจนขณะที่กำ�ลังเรืองแสง สังเกตเส้น สเปกตรัมที่ปรากฏ บันทึกผลการสังเกต 4. ทำ�การทดลองเช่นเดยี วกับข้อ 3 แตเ่ ปลยี่ นหลอดบรรจุแก๊สไฮโดรเจนเป็นหลอดบรรจ ุ ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้า แก๊สฮีเลยี ม แกส๊ นีออน และไอปรอท สังเกตเสน้ สเปกตรัมทป่ี รากฏ คำ�ถามท้ายการทดลอง 1. สเปกตรัมที่มองเห็นจากการใช้แผ่นเกรตติงส่องดูแสงอาทิตย์กับแสงไฟจากหลอด ฟลอู อเรสเซนตเ์ หมอื นกนั หรือแตกต่างกนั อย่างไร สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ย2. เสน้ สเปกตรมั ของแกส๊ ไฮโดรเจน แกส๊ ฮเี ลยี ม แกส๊ นอี อน และไอปรอทแตกตา่ งกนั หรอื ไม ่ อยา่ งไร ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้ชวนคิด นอกจากแผ่นเกรตติงแล้วยังมีอุปกรณ์หรือเครื่องมืออื่นที่สามารถนำ�มาใช้ส่องดูเส้น สเปกตรัมของธาตุได้อีกหรือไม่ สงวนสทิ ธ์โิ ดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ย จากผลการทดลองสงั เกตเหน็ วา่ สเปกตรมั จากแสงอาทติ ยม์ แี สงสตี อ่ เนอ่ื งกนั เปน็ แถบสเปกตรมั (spectrum band) สว่ นสเปกตรมั ทม่ี องเหน็ จากหลอดฟลอู อเรสเซนต์ นอกจากจะมองเหน็ แถบสเปกตรมั ดดั แปลงของสตี า่ ง ๆ เปน็ พน้ื แลว้ ยงั มเี สน้ สตี า่ ง ๆ ปรากฏในแถบสเปกตรมั ดว้ ย และจากการสงั เกตสเปกตรมั ของแกส๊ ไฮโดรเจน ฮเี ลยี ม นอี อน และไอปรอท พบวา่ ธาตแุ ตล่ ะชนดิ ใหส้ เปกตรมั ทม่ี เี สน้ สตี า่ งกนั และมี จ�ำ นวนเสน้ สเี ฉพาะตวั เสน้ สตี า่ ง ๆ นเ้ี รยี กวา่ เสน้ สเปกตรมั (spectrum line) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 60 ความยาวคลนื่ (nm) 400 500 600 700 แสงขาว ไฮโดรเจน หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าฮเี ลียม ลิเทยี ม โซเดยี ม สงวนสิทธิ์โดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ยแคลเซยี ม สทอนเชยี ม แคดเมียม ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซา้แบเรยี ม ปรอท รูป 2.7 แถบสเปกตรัมของแสงขาวและเส้นสเปกตรัมของธาตุบางชนิด สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ย ธาตุตา่ ง ๆ เมือ่ ไดร้ บั พลงั งานจะเปล่งแสงเปน็ สตี า่ ง ๆ หลายสี เมือ่ สเี หลา่ น้ันรวมกนั แล้วจะ สงั เกตเห็นเป็นสีเดยี วซ่ึงตาเราไมส่ ามารถบอกความแตกต่างได้ แต่เม่อื ใชแ้ ผน่ เกรตตงิ ส่องดจู ะเหน็ เสน้ สเปกตรมั ของแตล่ ะธาตทุ ม่ี ลี กั ษณะเฉพาะ เชน่ จ�ำ นวนเสน้ สี หรอื ต�ำ แหนง่ ทเ่ี กดิ ตา่ งกนั ไป การเกดิ เส้นสเปกตรัมของธาตุอธิบายได้ว่า อิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีพลังงานเฉพาะตัว ดดั แปลงทตี่ ่ำ�หรือกลา่ วไดว้ า่ อะตอมอยู่ใน สถานะพ้ืน (ground state) เมื่ออะตอมได้รบั พลงั งานเพม่ิ ขึ้นท�ำ ให้ อิเลก็ ตรอนถกู กระตุน้ ให้มีพลงั งานสูงข้ึนหรือเรียกว่าอะตอมอย่ใู น สถานะกระตุน้ (excited state) ท่สี ถานะนอี้ ะตอมจะไม่เสถียร เนอื่ งจากมพี ลังงานสูง อิเลก็ ตรอนจงึ คายพลงั งานออกมาส่วนหน่งึ ทำ�ให้อะตอมมีพลังงานลดลงแล้วกลับเข้าสู่สถานะท่ีมีพลังงานต่ำ�ลงเพื่อให้อะตอมมีความเสถียร มากขน้ึ พลังงานสว่ นใหญ่ทค่ี ายออกมาจะปรากฏในรปู พลงั งานแสง และสามารถคำ�นวณไดโ้ ดย ใช้ความสมั พันธ์ตามสมการของพลงั คซ์ ึง่ ได้กล่าวไว้แล้วในขา้ งตน้ ถา้ แสงสีเหล่าน้ีแยกออกจากกัน อยา่ งชดั เจนจะปรากฏเป็นเส้นสเปกตรมั แตถ่ า้ แสงสที ป่ี รากฏออกมามีลักษณะต่อเนื่องกันเช่นเดียว กบั รุง้ หรอื จากไสห้ ลอดไฟฟ้าซึ่งเป็นโลหะร้อนและมีอะตอมอยกู่ นั อย่างหนาแน่น จะให้สเปกตรมั เปน็ แถบสเปกตรัมซึง่ ยากแกก่ ารวิเคราะห์และแปลผล สภาวะของอิเลก็ ตรอนท่ีมพี ลงั งานต่าง ๆ เรียกว่า ระดับพลงั งานของอิเลก็ ตรอน (energy level of electron) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ 61 จากการศึกษาเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน พบว่ามีเส้นสเปกตรัม ปรากฏในช่วงคลน่ื ทม่ี องเหน็ ได้ โดยมคี วามยาวคล่นื 410 434 486 และ 656 นาโนเมตร ตามล�ำ ดบั เมื่อคำ�นวณผลต่างระหว่างพลังงานของเส้นสเปกตรัมที่อยู่ถัดกัน จะได้ข้อมูลดังตาราง 2.2 หา้ มเผยแพร่ ท้าซา้เส้นสเปกตรัม ความยาวคลื่น (nm) พลังงาน (kJ) ตาราง 2.2 ผลต่างระหว่างพลังงานของเส้นสเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจน ผลต่างระหว่างพลังงานของ เส้นสเปกตรัมที่อยู่ถัดกัน (kJ) สีม่วง 410 4.84 × 10-²² 2.7 × 10-²³ สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหน่าย }สีคราม 434 4.57 × 10-²² 4.9 × 10-²³ }น้ำ�เงิน 486 4.08 × 10-²² ดัดแปลง } ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าสีแดง 10.6 × 10-²³ 656 3.02 × 10-²² จากขอ้ มลู ในตาราง 2.2 แสดงวา่ อะตอมของไฮโดรเจนมพี ลงั งานหลายระดบั โดยความแตกตา่ ง ระหว่างพลังงานแต่ละระดับที่อยู่ถัดไปมีค่าไม่เท่ากันและความแตกต่างของพลังงานมีค่าน้อยลงเม่ือ สงวนสทิ ธิโ์ ดย สสวท. หรือจา้ หน่ายระดับพลงั งานสงู ขึ้น การทน่ี กั วทิ ยาศาสตรใ์ ชอ้ ะตอมของไฮโดรเจนเปน็ ตวั อยา่ งในการแปลความหมายของเสน้ สเปกตรมั เพราะอะตอมของไฮโดรเจนมอี เิ ลก็ ตรอนเดยี ว จากการทดลองหลายครง้ั พบวา่ อะตอมของไฮโดรเจนให้ เสน้ สเปกตรมั ไดห้ ลายเสน้ ทม่ี ลี กั ษณะเหมอื นกนั ทกุ ครง้ั จงึ สรปุ ไดว้ า่ อเิ ลก็ ตรอนในอะตอมของไฮโดรเจน ดัดแปลงขน้ึ ไปอยใู่ นสถานะกระตนุ้ ทม่ี พี ลงั งานแตกตา่ งกนั ไดห้ ลายระดบั คา่ พลงั งานของเสน้ สเปกตรมั แสดงใหเ้ หน็ ถงึ การเปลย่ี นระดบั พลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมจากระดบั พลงั งานสงู มายงั ระดบั พลงั งานต�ำ่ ดงั รปู 2.8 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เล่ม 1 62 n4.84 × 10-²² kJ 64.57 × 10-²² kJ 54.08 × 10-²² kJ 3.02 × 10-²² kJ ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้า4 3 2 สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรอื จ้าหน่าย1 ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้รูป 2.8 การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจน สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ยรู้หรือไม่ เสน้ สเปกตรัมหลายเส้น เกดิ จากการเปล่ยี นแปลงระดับพลงั งานของอิเล็กตรอนจาก ดดั แปลงระดับพลังงานที่สูงกว่าลงมายังระดับพลังงานที่ต่ำ�กว่าในระดับเดียวกัน เรียกว่า อนุกรม สเปกตรัม (spectrum series) เช่น อนกุ รมบัลเมอร์ เป็นการเปลย่ี นระดบั พลงั งานของ อิเล็กตรอนจากระดับที่สูงกว่าลงมายังระดับพลังงานที่ 2 (n = 2) อนุกรมชุดนี้เป็นชุดแรก คน้ พบและใหส้ เปกตรัมท่ีอยใู่ นช่วงที่มองเห็นได้ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอนระหว่างสถานะกระตุ้นและสถานะพื้นสามารถ อุปมานไดก้ ับการกลิ้งลงขนั้ บันไดของลกู บอล ดงั รปู 2.9 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ 63 n=5 n=4 n=3 พลังงานศักย์ ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้าn=2 รูป 2.9 เปรียบเทียบการกลิ้งลงบันไดของลูกบอลกับ การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอิเล็กตรอน n=1 สงวนสทิ ธ์โิ ดย สสวท. หรือจ้าหน่ายหมายเหตุ การอุปมานนี้นับระดับพื้นเป็นขั้นที่ 1 ซึ่งอาจต่างจากการนับขั้นบันไดจริง ๆ ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้า จากรูปจะเหน็ ว่าพลังงานศกั ย์ ณ บันไดแต่ละข้ันมคี ่าไม่เท่ากัน โดยลูกบอลทีอ่ ยบู่ ันไดข้ันต�่ำ จะมีพลังงานศักย์ต่ำ�กว่าบันไดขั้นสูง และผลต่างของพลังงานระหว่างบันไดสองขั้นมีค่าเฉพาะตัว ที่แนน่ อน โดยขั้นบันไดที่อยู่ห่างกันมากจะมีผลต่างของพลังงานมากกว่าขั้นบันไดที่อยู่ติดกัน เช่น ผลต่างของพลังงานระหว่างขั้นที่ 1 กับขั้นที่ 3 จะมีค่ามากกว่าขั้นที่ 1 กับขั้นที่ 2 หรืออาจสรุปได้ว่า ผลต่างของพลังงานศักย์ระหว่างขั้นบันไดขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างความสูงของขั้นบันไดและ สงวนสิทธิ์โดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ยมีคา่ เฉพาะตวั การกลงิ้ ลงข้นั บันไดของลูกบอล ลูกจะตอ้ งกลง้ิ ลงและหยดุ ทขี่ ้นั บนั ไดเท่าน้ัน ลูกบอล ไม่สามารถหยุดระหวา่ งข้นั บันไดได้เน่อื งจากไม่มที ่พี ักระหว่างข้นั บันได ลูกบอลอาจกลิง้ และหยุดบน ข้ันบันไดขัน้ ท่ตี ิดกนั หรือข้นั ท่อี ยหู่ า่ งออกไปได้ เชน่ จากข้ันท่ี 5 ลงมายงั ข้ันท่ี 4 หรอื จากข้ันท่ี 3 ลง มาขน้ั ท่ี 1 ดดั แปลง จากการศกึ ษาเสน้ สเปกตรัมของอะตอมไฮโดรเจนทำ�ใหน้ ักวิทยาศาสตร์สรุปได้วา่ 1. เมอ่ื อเิ ลก็ ตรอนไดร้ บั พลงั งานในปรมิ าณทเ่ี หมาะสม อเิ ลก็ ตรอนจะขน้ึ ไปอยใู่ นระดบั พลงั งาน ที่สูงกว่าระดับพลังงานเดิม แต่จะอยู่ในระดับใดขึ้นกับปริมาณพลังงานที่ได้รับ การที่อิเล็กตรอน ขน้ึ ไปอยใู่ นระดบั พลงั งานใหมท่ �ำ ใหอ้ ะตอมไมเ่ สถยี ร อเิ ลก็ ตรอนจะกลบั มาอยใู่ นระดบั พลงั งานทต่ี �ำ่ กวา่ ซึ่งการเปลี่ยนตำ�แหน่งของแต่ละระดับพลังงานนี้ อิเล็กตรอนจะคายพลังงานออกมาในรูปของ คล่ืนแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถ่ีเฉพาะค่าหน่ึงหรือกล่าวได้ว่าการดูดหรือคายพลังงานของอิเล็กตรอน ในอะตอมตอ้ งมีค่าเฉพาะตามทฤษฎีของพลงั ค์ โดยมีค่าเทา่ กบั ความถ่ขี องคลน่ื แม่เหล็กไฟฟา้ นน้ั คูณ ด้วยค่าคงทข่ี องพลงั ค์ ดังท่ีกลา่ วมาแล้ว สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ เคมี เล่ม 1 64 2. การเปลย่ี นระดบั พลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนไมจ่ �ำ เปน็ ตอ้ งเปลย่ี นไปยงั ระดบั พลงั งานทอ่ี ยตู่ ดิ กนั อาจมกี ารเปล่ียนขา้ มระดับพลังงานได้ และจะอยูร่ ะหว่างระดบั พลังงานไม่ได้ 3. ผลต่างระหว่างพลังงานของระดับพลังงานต่ำ� จะมีค่ามากกว่าผลต่างระหว่างพลังงานของ ระดบั พลงั งานที่สูงขึ้นไป ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้า จากความรู้เรื่องการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานของอิเล็กตรอนและการเกิดสเปกตรัม ช่วยให้ นลี ส์ โบร์ (Niels Bohr) นกั วทิ ยาศาสตรช์ าวเดนมาร์ก สรา้ งแบบจ�ำ ลองอะตอมเพ่อื ใช้อธิบาย พฤตกิ รรมของอิเล็กตรอนในอะตอมได้ โดยกล่าวว่า อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็น วงคลา้ ยกบั วงโคจรของดาวเคราะหร์ อบดวงอาทติ ย์ แตล่ ะวงจะมรี ะดบั พลงั งานเฉพาะตวั ระดบั พลังงานของอิเล็กตรอนทอี่ ยู่ใกลน้ ิวเคลียสที่สุดมพี ลงั งานต�่ำ ท่ีสดุ เรยี กว่าระดับ K และระดบั สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ยพลงั งานทอี่ ยถู่ ดั ออกมาเรยี กเปน็ L M N … ตามล�ำ ดบั ดงั รูป 2.10 ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซา้รูป 2.10 แบบจำ�ลองอะตอมของโบร์ที่แสดงระดับพลังงานของอิเล็กตรอน สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จา้ หน่าย ต่อมาไดม้ ีการใชต้ วั เลขแสดงถงึ ระดบั พลังงานของอเิ ล็กตรอน คอื n = 1 หมายถงึ ระดบั พลงั งานท่ี 1 ซ่ึงอยู่ ใกล้กับนิวเคลยี สที่สุด และชน้ั ถดั ออกมาเป็น n = 2 หมายถึงระดบั พลงั งานท่ี 2 ต่อจากน้นั n = 3 4 … หมายถึงระดบั พลังงานที่ 3 4 และสงู ขึ้นไปตามล�ำ ดับ ดัดแปลงชวนคิด 1. จากรปู 2.7 การทเ่ี สน้ สสี เปกตรมั ของปรอทมมี ากกวา่ ไฮโดรเจนแปลความหมายไดอ้ ยา่ งไร 2. เพราะเหตุใดแสงของดวงอาทิตย์และหลอดฟลูออเรสเซนต์เมื่อผ่านแผ่นเกรตติงจึง สงั เกตเหน็ เปน็ แถบสเปกตรมั สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 65 2.1.5 แบบจำ�ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก แบบจำ�ลองอะตอมของโบร์มีข้อจำ�กัดคือไม่สามารถใช้อธิบายสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลาย อเิ ลก็ ตรอนได้ นกั วทิ ยาศาสตรจ์ งึ ไดศ้ กึ ษาเพม่ิ เตมิ จนไดข้ อ้ มลู เพยี งพอทจ่ี ะเชอ่ื วา่ อเิ ลก็ ตรอนมสี มบตั ิ เปน็ ทง้ั อนภุ าคและคลน่ื โดยเคลอ่ื นทร่ี อบนวิ เคลยี ส บรเิ วณทพ่ี บอเิ ลก็ ตรอนมหี ลายลกั ษณะเปน็ รปู ทรง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าตา่ ง ๆ ตามระดบั พลงั งานของอเิ ลก็ ตรอน จากการประยกุ ตใ์ ชส้ มการทางคณติ ศาสตรแ์ ละใชค้ อมพวิ เตอร์ ช่วยในการค�ำ นวณ เพื่อหาโอกาสที่จะพบอเิ ลก็ ตรอนในระดบั พลงั งานตา่ ง ๆ พบวา่ สามารถอธิบาย เส้นสเปกตรัมของธาตุได้ถูกต้องกว่าแบบจำ�ลองอะตอมของโบร์และสามารถอธิบายได้ว่าอิเล็กตรอน มขี นาดเลก็ มากและเคลอ่ื นทอ่ี ยา่ งรวดเรว็ ตลอดเวลาไปทว่ั ทง้ั อะตอม จงึ ไมส่ ามารถบอกต�ำ แหนง่ ทแ่ี นน่ อน ของอิเล็กตรอนได้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์พบว่ามีโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ยบางบริเวณเทา่ นนั้ ทำ�ใหส้ ร้างมโนภาพไดว้ ่าอะตอมประกอบด้วยกลมุ่ หมอกอิเล็กตรอน (electron cloud) รอบนิวเคลยี ส บรเิ วณท่กี ลุ่มหมอกทบึ แสดงวา่ มโี อกาสทีจ่ ะพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณ ที่มีกลุ่มหมอกจาง เรียกแบบจำ�ลองนี้ว่าแบบจำ�ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก (electron cloud model of atom) ดังรูป 2.11 (แต่ละจดุ คอื 1 โอกาสทจี่ ะพบอิเลก็ ตรอน) ดดั แปลสงงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หหา้ รมอื เจผา้ ยหแนพ่ารย่ ท้าซ้ารูป 2.11 ภาพ 2 มิติแสดงกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน แบบจำ�ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกที่แสดงถึงความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส ดดั แปลงท�ำ ได้ยาก โดยท่วั ไปจงึ พิจารณาอะตอมในลักษณะทรงกลม เช่น ลูกปงิ ปอง หรอื พลาสตกิ ทรงกลม เป็นแบบจ�ำ ลองแทนอะตอมของธาตุ แต่นกั เรียนควรระลกึ ไว้เสมอว่าการใช้แบบจำ�ลองเชน่ นี้เพียง เพื่อชว่ ยให้คดิ ตามได้งา่ ยขึ้นเท่าน้นั เมือ่ นักเรียนได้ศกึ ษาในระดบั ทีส่ งู ขึ้นไปจะพบว่ารูปทรงของกลุ่ม หมอกอเิ ลก็ ตรอนไมไ่ ด้มีเพยี งรูปทรงกลมเท่านัน้ โครงสร้างอะตอมตามแบบจำ�ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกยังไม่ใช่ข้อยุติในการศึกษาทดลอง เก่ยี วกบั อะตอม เพราะความรู้ทางวทิ ยาศาสตร์มีการพัฒนาอยา่ งตอ่ เนอ่ื งตลอดเวลา ดังน้ันในอนาคต จงึ อาจมแี บบจ�ำ ลองอะตอมแบบอ่ืนตามขอ้ มลู ทคี่ น้ พบใหม่ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 66 แบบฝึกหัด 2.1 1. เสน้ สเปกตรมั เสน้ หนง่ึ ของธาตซุ เี ซยี มมคี วามยาวคลน่ื 456 นาโนเมตร จะปรากฏเปน็ สใี ด หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้า2. เหตใุ ดเสน้ สเปกตรมั ของธาตไุ ฮโดรเจนจงึ มหี ลายเสน้ ทง้ั ทเ่ี ปน็ ธาตทุ ม่ี เี พยี ง 1 อเิ ลก็ ตรอน 3. จากรปู แสดงการเปลย่ี นแปลงระดบั พลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมไฮโดรเจน ก�ำ หนด อนุกรมตอ่ ไปนีอ้ ยใู่ นช่วงอลั ตราไวโอเลต ชว่ งทีต่ ามองเหน็ และช่วงอินฟาเรด สงวนสทิ ธิโ์ ดยดสดั สแวปทลส.งงวหนรสอื ิทจธ้า์โิหดนยา่ ยสสวท. หห้ารมือเจผา้ ยหแนพา่ รย่ ท้าซ้า ถ้า “อนุกรม ข” คือช่วงที่ตามองเห็น อนุกรมใดคือช่วงอัลตราไวโอเลต และอินฟาเรด ตามล�ำ ดบั ดัดแปลง4. จงเขียนผังมโนทศั น์ (concept map) เพือ่ อธบิ ายววิ ฒั นาการแบบจำ�ลองอะตอม 2.2 อนภุ าคในอะตอมและไอโซโทป ในหัวข้อที่ผ่านมานักเรียนได้ทราบแล้วว่าทอมสันค้นพบอิเล็กตรอนและค่าประจุต่อมวล ในหวั ขอ้ นน้ี กั เรียนจะได้เรียนรูเ้ กย่ี วกบั อนุภาคชนดิ อ่นื ท่เี ป็นองคป์ ระกอบของอะตอม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ 67 2.2.1 อนุภาคในอะตอม ในปี พ.ศ. 2451 รอเบิร์ต แอนดรสู ์ มิลลแิ กน (Robert Andrews Millikan) นกั วิทยาศาสตร์ ชาวอเมริกันได้ทำ�การหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยอาศัยการสังเกตหยดน้ำ�มันในสนามไฟฟ้า ห้ามเผยแพร่ ท้าซา้ดังรปู 2.12หยดน�ำ้ มนั เครอ่ื งพน่ ละอองน้ำ�มนั สงวนสิทธ์โิ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่าย ขัว้ ไฟฟ้าบวก กลอ้ งจลุ ทรรศน์ ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้าขวั้ ไฟฟา้ ลบ แหล่งก�ำ เนิดแสง สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จา้ หน่ายรูป 2.12 การทดลองหยดน้ำ�มันมิลลิแกนรังสี (ท�ำ ใหห้ ยดนำ้�มันมีประจุ) เมื่อละอองนำ้�มนั ท่รี ว่ งผา่ นรบู นขัว้ ไฟฟา้ บวกกระทบรังสีจะมปี ระจุไฟฟ้าเกดิ ขนึ้ ทำ�ให้ละออง น�ำ้ มนั บางหยดเคลอ่ื นทเ่ี ขา้ หาขว้ั ไฟฟา้ บวก บางหยดเขา้ หาขว้ั ไฟฟา้ ลบ และบางหยดลอยนง่ิ อยรู่ ะหวา่ ง ดัดแปลงสนามไฟฟา้ ขนาดของหยดน�ำ้ มนั ทล่ี อยนง่ิ อยรู่ ะหวา่ งสนามไฟฟา้ สามารถสงั เกตไดจ้ ากกลอ้ งจลุ ทรรศน์ และน�ำ มาค�ำ นวณหามวลของหยดน�ำ้ มนั ทท่ี ราบความหนาแนน่ ของน�ำ้ มนั และจากความสมั พนั ธข์ อง น�ำ้ หนกั ของหยดน�ำ้ มนั ทล่ี อยนง่ิ เทา่ กบั แรงทเ่ี กดิ จากสนามไฟฟา้ ท�ำ ใหส้ ามารถค�ำ นวณคา่ ประจไุ ฟฟา้ บนหยดน้ำ�มนั ได้ ซงึ่ พบวา่ ประจไุ ฟฟา้ บนหยดนำ้�มนั มีค่าเปน็ จ�ำ นวนเทา่ ของ 1.60 × 10-¹⁹ คลู อมบ์ มลิ ลแิ กนจงึ สรปุ วา่ ประจขุ องอเิ ลก็ ตรอนมคี า่ เทา่ กบั 1.60 × 10-¹⁹ คลู อมบ์ เมอ่ื น�ำ มาใชค้ �ำ นวณรว่ มกบั คา่ ประจตุ ่อมวลทีร่ ายงานไว้โดยทอมสนั จะได้มวลของอเิ ลก็ ตรอนเทา่ กบั 9.11 × 10-²⁸ กรัม ในปี พ.ศ. 2429 ออยเกน โกลด์ชไตน์ (Eugen Goldstein) ได้ท�ำ การดดั แปลงหลอดรังสแี คโทด โดยการสลับตำ�แหน่งของแคโทดและแอโนด ดังรูป 2.13 ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปพบว่า ฉาก เกิดการเรอื งแสง แสดงว่ามรี งั สีออกจากแอโนด ซง่ึ โกลดช์ ไตนเ์ รยี กรังสีชนดิ น้ีว่า รงั สแี คแนล (canal ray) หรอื รงั สแี อโนด (anode ray) ซึ่งมปี ระจุบวก สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ เคมี เลม่ 1 68 แคโทด แอโนด ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าฉากเรืองแสง −+ รังสีแคแนล สงวนสิทธ์โิ ดย สสวท. หรือจา้ หน่าย โกลดช์ ไตนไ์ ดท้ �ำ การทดลองกบั แกส๊ หลายชนดิ พบวา่ รงั สแี อโนดมคี า่ ประจตุ อ่ มวล (e/m) ไมค่ งที่รูป 2.13 หลอดรังสีแคโทดที่ดัดแปลง จนกระท่ังกลมุ่ นักวิจัยน�ำ ทมี โดยรัทเทอรฟ์ อร์ดและทอมสัน ได้ท�ำ การศกึ ษาหลอดในลกั ษณะเดียวกนั มวล ทบี่ รรจแุ กส๊ ไฮโดรเจน ทำ�ใหไ้ ด้ข้อสรปุ วา่ อนภุ าคบวกมคี า่ ประจเุ ทา่ กันกับอิเล็กตรอน และหาคา่ มวล ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าของประจุบวกได้เป็น 1.673 × 10-²⁴ กรัม ซึ่งมากกว่ามวลของอเิ ลก็ ตรอนประมาณ 1,840 เทา่ เรียก อนภุ าคน้วี ่า โปรตอน (proton) ในปี พ.ศ. 2475 เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) นักวิทยาศาสตร์ชาวองั กฤษได้ทดลองยงิ อนุภาคแอลฟาไปยงั อะตอมของธาตตุ ่าง ๆ และทดสอบผลการทดลองดว้ ยเครอ่ื งมอื ทม่ี คี วามเทยี่ งสูง ท�ำ ใหท้ ราบวา่ ในนิวเคลยี สมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟา้ และเรยี กอนุภาคน้วี ่า นิวตรอน (neutron) สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ยซ่งึ มีมวลใกลเ้ คียงกับมวลของโปรตอน การค้นพบนิวตรอนชว่ ยอธบิ ายและสนับสนนุ ข้อมูลเกีย่ วกบั มวลของอะตอม ซง่ึ พบว่ามคี ่ามากกว่ามวลรวมของโปรตอน เชน่ ธาตุคารบ์ อนมีมวลของโปรตอน รวมกัน 6 หน่วย แตม่ วลของอะตอมมีค่า 12 หนว่ ย และมวลของธาตุสว่ นใหญ่มคี ่าเปน็ 2 เท่าหรอื มากกว่า 2 เท่าของมวลโปรตอนทงั้ หมดรวมกัน ดงั น้นั อเิ ล็กตรอน โปรตอน และนวิ ตรอน จึงเปน็ ดดั แปลงอนุภาคในอะตอม (subatomic particle) ซงึ่ อนภุ าคแตล่ ะชนดิ มีรายละเอยี ดดงั ตาราง 2.3 ตาราง 2.3 ขอ้ มลู บางประการของอเิ ล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน อนภุ าค สัญลักษณ์ ประจุไฟฟ้า ชนิดประจุไฟฟ้า (กรัม) (คลู อมบ)์ อเิ ลก็ ตรอน e หรือ e- 1.602 × 10-¹⁹ -1 9.109 × 10-²⁸ โปรตอน p หรอื p+ 1.602 × 10-¹⁹ +1 1.673 × 10-²⁴ นวิ ตรอน n 0 0 1.675 × 10-²⁴ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 69 2.2.2 เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป อะตอมประกอบดว้ ยโปรตอนและนวิ ตรอนรวมกนั เปน็ นวิ เคลยี สของอะตอม และมอี เิ ลก็ ตรอน ซึ่งมีจำ�นวนเท่ากับจำ�นวนโปรตอนเคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียส อะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำ�นวน โปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำ�กับธาตุอื่น ตัวเลขที่แสดงจำ�นวนโปรตอนเรียกว่า เลขอะตอม (atomic หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าnumber, Z) และเนอื่ งจากมวลของอเิ ล็กตรอนมคี ่านอ้ ยมาก ดังนัน้ มวลของอะตอมสว่ นใหญ่จึงเป็น มวลของนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน เรียกผลรวมของจำ�นวนโปรตอนและ นิวตรอนว่า เลขมวล (mass Number, A) เชน่ คารบ์ อนมี 6 โปรตอนจงึ มเี ลขอะตอมเท่ากับ 6 โดย อาจมี 6 หรอื 7 นิวตรอน จึงมเี ลขมวลเป็น 12 หรอื 13 ตามลำ�ดับ สงวนสทิ ธโิ์ ดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ยตรวจสอบความเข้าใจ โซเดยี มมี 11 โปรตอน และมี 12 นิวตรอน โซเดยี มมีเลขอะตอมและเลขมวลเทา่ กับ ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าเท่าใดตามลำ�ดบั สัญลักษณ์ที่เขียนแสดงรายละเอียดเกี่ยวกับสัญลักษณ์ของธาตุ เลขอะตอม และเลขมวลของ อะตอม เรียกว่า สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (nuclear symbol) วิธีเขียนที่ตกลงกันเป็นสากล ให้เขียน สงวนสทิ ธิโ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ยเลขอะตอมไว้ด้านล่างซ้าย และเลขมวลไว้ด้านบนซ้ายของสัญลักษณ์ ดังรูป 2.14 Xดดั แปลงเลขมวลสัญลักษณ์ของธาตุ เลขอะตอม A Z รูป 2.14 สัญลักษณ์นิวเคลียร์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ เคมี เลม่ 1 70 อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีจำ�นวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำ�นวนนิวตรอน อาจมไี ด้หลายค่า ทำ�ให้อะตอมของธาตเุ ดยี วกนั มมี วลต่างกัน เฟรเดอรกิ ซอดดี (Frederick Soddy) นกั เคมชี าวองั กฤษ เรยี กอะตอมของธาตเุ ดยี วกนั ทม่ี เี ลขมวลตา่ งกนั วา่ ไอโซโทป (isotope) ธาตชุ นดิ หนึ่งอาจมหี ลายไอโซโทป บางไอโซโทปมอี ยใู่ นธรรมชาติและบางไอโซโทปไดจ้ ากการสงั เคราะห์ เชน่ หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าไฮโดรเจน มี 3 ไอโซโทป มีเลขมวล 1 2 และ 3 มชี ือ่ เฉพาะว่า โปรเทยี ม (protium) ดิวทีเรียม (deu- terium) และ ทรเิ ทียม (tritium) ตามล�ำ ดับ ไฮโดรเจนที่เกิดในธรรมชาติมีปรมิ าณโปรเทียมอยถู่ ึง ร้อยละ 99.99 แต่ละไอโซโทปของไฮโดรเจนเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ได้เป็น ₁¹ H ₁² H และ ₁³ H อาจเขียนอย่างย่อโดยเขยี นเฉพาะสัญลักษณข์ องธาตกุ บั เลขมวลกไ็ ด้ โดยเขียนเป็น ¹ H ² H และ ³ H หรอื H-1 H-2 และ H-3 แตล่ ะไอโซโทปของไฮโดรเจนมชี อ่ื เฉพาะ และใชส้ ญั ลกั ษณแ์ ทนดงั ตาราง 2.4 สงวนสิทธโิ์ ดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ย ตาราง 2.4 สัญลกั ษณน์ ิวเคลียร์ของแต่ละไอโซโทปของไฮโดรเจน สัญลกั ษณ์นิวเคลยี ร์ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้า₁¹H หรือ ¹H หรือ H-1ช่ือเฉพาะ สัญลักษณ์ ₁²H หรือ ²H หรือ H-2 โปรเทียม H ₁³H หรือ ³H หรอื H-3 ดวิ ทีเรยี ม D ทริเทียม T สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ย คาร์บอนมีเลขอะตอม 6 มี 3 ไอโซโทป ซึ่งมีเลขมวล 12 13 และ 14 สัญลักษณ์นิวเคลียร์ จึงเปน็ ¹ ₆² C ¹ ₆³ C และ ¹ ₆⁴C เขยี นแบบยอ่ เป็น ¹²C ¹³C และ ¹⁴C หรือ C-12 C-13 และ C-14 การเรยี ก ชื่อของไอโซโทปของธาตจุ ะเรียกข้นึ ต้นดว้ ยช่อื ของธาตแุ ละตามด้วยเลขมวล เช่น ¹⁴C มีเลขมวล 14 ดดั แปลงจะมี 6 โปรตอน และ 8 นิวตรอน เรียกไอโซโทปนี้วา่ คารบ์ อน-14 (C-14) ตรวจสอบความเข้าใจ ธาตุตา่ งชนดิ กนั ต้องมีเลขมวลตา่ งกนั เสมอหรอื ไม่ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 71 แบบฝึกหดั 2.2 1. เขียนแผนผังเวนน์เปรยี บเทยี บสมบัตขิ องโปรตอน นวิ ตรอน และอเิ ลก็ ตรอน ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้า2. จากการทดลองของมิลลิแกน ถ้าพบว่าหยดน้ำ�มันที่ลอยนิ่งหยดหนึ่งมีค่าประจุเท่ากับ 6.4 × 10-¹⁹ คลู อมบ์ หยดนำ้�มันน้มี ีอิเล็กตรอนเกาะอย่จู ำ�นวนเท่าใด 3. ฮเี ลยี มมี 2 โปรตอน 2 นวิ ตรอน และ 2 อเิ ลก็ ตรอน มวลของอะตอมฮเี ลยี มทค่ี �ำ นวณจาก มวลของโปรตอนและนวิ ตรอน เทยี บกบั มวลทค่ี �ำ นวณจากองคป์ ระกอบของอนภุ าคทง้ั หมด ตา่ งกนั รอ้ ยละเทา่ ใด สงวนสิทธิโ์ ดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ย4. จงเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ของไอโซโทปต่าง ๆ ของธาตุ X ซึ่งมี 9 อิเล็กตรอนและมี นิวตรอน 9 10 และ 11 ตามล�ำ ดับ 5. พิจารณาสญั ลักษณ์นวิ เคลียรข์ องธาตสุ มมตติ อ่ ไปนี้ ⁴₁ ⁰₈ A ⁴₁ ₈² B ⁴₁ ⁰₉ C ⁴₂ ⁰₀ D และ ⁴₂ ²₁ E ดดั แปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้า ธาตใุ ดเป็นไอโซโทปกนั เพราะเหตใุ ด 2.3 การจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอนในอะตอม 2.3.1 จำ�นวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดบั พลงั งาน สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ย จากการศึกษาแบบจำ�ลองอะตอม ทำ�ให้ทราบว่าอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อยรู่ วมกนั ในนวิ เคลยี ส โดยมอี เิ ลก็ ตรอนเคลอ่ื นทอ่ี ยรู่ อบ ๆ และอยใู่ นระดบั พลงั งานตา่ งกนั อเิ ลก็ ตรอน เหล่านั้นอยู่กันอย่างไรและในแต่ละระดับพลังงานจะมีจำ�นวนอิเล็กตรอนสูงสุดเท่าใด ให้นักเรียน พิจารณาข้อมูลแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุดังตาราง 2.5 ดดั แปลง ตาราง 2.5 การจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอนของธาตบุ างธาตุ ธาตุ เลขอะตอม จ�ำ นวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน n=1 n=2 n=3 H1 1 He 2 2 Li 3 2 1 Be 4 2 2 B5 2 3 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 72 ธาตุ เลขอะตอม จำ�นวนอิเล็กตรอนในระดับพลงั งาน n=1 n=2 n=3 C6 2 4 2 5 ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซา้N 7 2 6 2 7 O8 2 8 F9 2 81 Ne 10 2 82 Na 11 2 83 2 84 สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จา้ หน่ายMg 12 2 85 Al 13 2 86 Si 14 2 87 ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้P 15 2 88 S 16 Cl 17 Ar 18 สงวนสิทธโิ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่าย เมอื่ พิจารณาข้อมูลในตาราง 2.5 จะพบว่าจ�ำ นวนอิเล็กตรอนในระดบั พลังงานที่ 1 มไี ดม้ าก ที่สุด 2 อิเล็กตรอน ระดับพลังงานที่ 2 มีได้มากที่สุด 8 อิเล็กตรอน สำ�หรับระดับพลังงานที่ 3 นั้น จากการสบื คน้ ข้อมูลเพิม่ เติมท�ำ ให้ทราบวา่ มไี ด้มากท่ีสดุ 18 อิเลก็ ตรอน น่นั คือ จ�ำ นวนอเิ ล็กตรอน ดัดแปลงมากทีส่ ดุ ทมี่ ีได้ในแตล่ ะระดบั พลงั งานจะมคี ่าเทา่ กบั 2n² เม่อื n คอื ตวั เลขแสดงระดับพลังงาน ถ้าพจิ ารณาตามหลัก 2n2 การจัดเรยี งอเิ ลก็ ตรอนของธาต ุ K และ Ca ควรเป็น 2 8 9 และ 2 8 10 ตามล�ำ ดบั เน่อื งจากในระดบั พลังงานท่ี 3 ควรมอี ิเล็กตรอนไดส้ งู สดุ ถงึ 18 อิเล็กตรอน แต่ จากการศึกษาพบวา่ การจัดเรยี งอเิ ล็กตรอนของธาตุ K และ Ca เป็น 2 8 8 1 และ 2 8 8 2 ตาม ลำ�ดับ ซึง่ หมายความวา่ อิเล็กตรอนในระดบั พลงั งานที่ 3 ของท้ังสองธาตนุ ม้ี ีเพยี ง 8 อเิ ลก็ ตรอน และ อเิ ล็กตรอนท่ีเพมิ่ มาอกี 1 และ 2 อิเลก็ ตรอนนั้นเข้าไปอยใู่ นระดับพลังงานท่ี 4 ท�ำ ใหร้ ะดับพลังงานท่ี 3 มอี เิ ลก็ ตรอนไม่ครบ 18 ข้อมลู ดงั กลา่ วนจ้ี ะได้ศึกษาตอ่ ไป สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ 73 2.3.2 ระดับพลังงานหลัก และระดบั พลงั งานย่อย นักเรียนทราบมาแล้วว่าโบร์เสนอแบบจำ�ลองโดยใช้ข้อมูลเก่ียวกับเส้นสเปกตรัมของ ไฮโดรเจนซ่ึงแสดงให้เห็นว่าอะตอมของไฮโดรเจนมีพลังงานหลายระดับและความแตกต่างระหว่าง พลังงานของแต่ละระดบั ท่อี ยูถ่ ดั ไปก็ไม่เทา่ กัน โดยความแตกต่างของพลงั งานจะมีค่านอ้ ยลง เม่อื มี หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าระดบั พลังงานสงู ขนึ้ การอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบร์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความ สนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น และพบว่าเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เปล่งแสง ออกมาและมองเห็นเป็น 1 เส้นนั้นแท้จริงแล้วประกอบด้วยเส้นสเปกตรัมมากกว่า 1 เส้น ซึ่งนำ�ไปสู่ สงวนสทิ ธโิ์ ดย สสวท. หรอื จ้าหน่ายขอ้ สรปุ ทว่ี า่ เสน้ สเปกตรมั ทเ่ี กดิ ขน้ึ นอกจากเปน็ การคายพลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนจากระดบั พลงั งานหลกั (principle energy level หรือ shell) ซึง่ แทนด้วย n แล้ว ยงั เปน็ การคายพลงั งานของอเิ ลก็ ตรอนจาก ระดบั พลงั งานย่อย (energy sublevel หรือ subshell) ของแต่ละระดับพลงั งานหลักอกี ดว้ ย นกั วิทยาศาสตร์ไดก้ ำ�หนดระดบั พลงั งานย่อยเป็นตัวอกั ษร s p d และ f ตามล�ำ ดับ แนวคิด ดดั แปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าดังกลา่ วน้สี ามารถน�ำ มาอธบิ ายสเปกตรมั ของธาตทุ ่ีมีมากกวา่ 1 อิเลก็ ตรอนได้ และจากการศกึ ษา เพิ่มเติมพบวา่ จ�ำ นวนระดบั พลงั งานย่อยที่เป็นไปได้ในแตล่ ะระดับพลังงานหลักที่ 1 – 4 เปน็ ดังนี้ สงวนสทิ ธโ์ิ ดยดสัดสแวปทล.ง หรอื จ้าหน่ายระดับพลังงานหลักระดบั พลงั งานย่อย รูป 2.15 แผนภาพระดับพลังงานของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 74 จากรูป 2.15 สามารถสรุปได้ว่า ระดบั พลังงานหลักที่ 1 (n = 1) มี 1 ระดบั พลงั งานย่อยคือ s ระดับพลงั งานหลักที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานยอ่ ยคือ s p ระดบั พลังงานหลักที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้า ระดบั พลงั งานหลกั ที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดบั พลงั งานยอ่ ยคือ s p d f 2.3.3 ออร์บิทัล เนอ่ื งจากอเิ ลก็ ตรอนมกี ารเคลอ่ื นทต่ี ลอดเวลา ความหนาแนน่ ของกลมุ่ หมอกอเิ ลก็ ตรอนจงึ อยู่ สงวนสิทธโิ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ยในรปู ของโอกาสทจ่ี ะพบอเิ ลก็ ตรอนซง่ึ มอี าณาเขตและรปู รา่ งใน 3 มติ แิ ตกตา่ งกนั บรเิ วณรอบนวิ เคลยี ส ซง่ึ มโี อกาสทจ่ี ะพบอเิ ลก็ ตรอนและมพี ลงั งานเฉพาะนเ้ี รยี กวา่ ออรบ์ ทิ ลั (orbital) จากศกึ ษาพบวา่ จ�ำ นวน ออร์บิทัลในแต่ละระดับพลังงานย่อยมีค่าแตกต่างกันซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้ ระดับพลังงานยอ่ ย s มี 1 ออรบ์ ิทลั ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้า ระดับพลังงานย่อย p ม ี 3 ออรบ์ ทิ ลั ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออรบ์ ิทลั ระดบั พลังงานยอ่ ย f มี 7 ออรบ์ ทิ ลั จากรปู 2.15 ถา้ เขยี นเปน็ แผนผงั โดยพจิ ารณาออรบ์ ทิ ลั ของแตล่ ะระดบั พลงั งานยอ่ ยอาจเขยี น สงวนสทิ ธโ์ิ ดยดสัดสแวปทล.ง หรือจา้ หนา่ ยแสดงไดด้ ังรูป 2.16 รูป 2.16 แผนภาพระดับพลังงานที่แสดงจำ�นวนออร์บิทัล หมายเหตุ สามารถใช้สัญลักษณ์อย่างอื่นแทนออร์บิทัลได้ เช่น สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 75 จำ�นวนอิเล็กตรอนสูงสุดในออร์บิทัลที่อยู่ในระดับพลังงานย่อย s p d และ f สามารถ พิจารณาจากข้อมูลในตาราง 2.6 ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้าระดบั พลงั งานหลกั n=1 สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ยn = 2 ตาราง 2.6 จ�ำ นวนอเิ ลก็ ตรอนสงู สุดในระดบั พลงั งานยอ่ ยและระดบั พลงั งานหลัก ระดบั จ�ำ นวนอิเลก็ ตรอน จ�ำ นวนอิเล็กตรอนสูงสดุ พลงั งานย่อย สูงสดุ ในระดับพลังงานย่อย ในระดบั พลงั งานหลกั s2 2 8 s2 p6 ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซา้n = 3s2 18 p 6 d 10 สงวนสทิ ธโิ์ ดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ยn = 4s2 32 p 6 d 10 f 14 จากตาราง 2.6 จะเห็นว่าจำ�นวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย s p d และ f มีค่าเท่ากับ 2 6 10 และ 14 ตามลำ�ดับ แต่เนื่องจากพลังงานย่อย s p d และ f มี 1 3 5 และ 7 ดดั แปลงออร์บิทัลตามลำ�ดับ แสดงว่า 1 ออร์บิทัลสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2 อิเล็กตรอน 2.3.4 หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม การจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอนของอะตอมหนง่ึ ๆ ใหพ้ จิ ารณาตาม หลกั อาฟบาว (Aufbau principle) ซง่ึ เกย่ี วขอ้ งกบั ล�ำ ดบั พลงั งานของแตล่ ะออรบ์ ทิ ลั กลา่ วคอื การบรรจอุ เิ ลก็ ตรอนตอ้ งบรรจใุ นออรบ์ ทิ ลั ที่มีพลงั งานต�ำ่ สดุ และวา่ งอยกู่ อ่ นเสมอ ดงั รปู 2.17 นนั่ คอื เริม่ จาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำ�ดบั เพราะจะทำ�ใหพ้ ลงั งานรวมทัง้ หมดมีค่าต�ำ่ ท่ีสุดและอะตอมมคี วามเสถยี รทีส่ ดุ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เล่ม 1 76 n=1 n=2 n=3 หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าn=4 n=5 n=6 สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรือจา้ หน่ายn=7 รูป 2.17 แผนภาพแสดงลำ�ดับการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่าง ๆ ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้า จากแผนภาพสามารถเรียงลำ�ดับพลังงานได้ดังนี้ 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p … สงวนส1ทิ ธsิโ์ ดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ย ไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนได้ เป็น 1s¹ โดยมีความหมายดังนี้ ดดั แปลงระดับพลังงานหลัก 1 จำ�นวนอิเล็กตรอนในออร์บิทัล ระดับพลังงานย่อย รูป 2.18 สัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนอะตอม สำ�หรับธาตุ He Li Be B C N O F Ne Na และ Mg ซึ่งมีอิเล็กตรอน 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 และ 12 ตามลำ�ดับ สามารถเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบเต็ม และแบบย่อโดยเขียนแก๊สมีสกุลในวงเล็บแทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแก๊สมีสกุลในช้ันถัดเข้ามา และแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนเฉพาะชั้นนอกสุด ดังตาราง 2.7 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ 77 ตาราง 2.7 การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุบางธาตุ ธาตุ จ�ำ นวนอเิ ลก็ ตรอน การจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอน He 2 1s² หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าLi 3 1s²2s¹ หรือ [He]2s¹ Be 4 1s²2s² หรือ [He]2s² B 5 1s²2s²2p¹ หรือ [He]2s²2p¹ C 6 1s²2s²2p² หรือ [He]2s²2p² N 7 1s²2s²2p³ หรือ [He]2s²2p³ สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรือจา้ หน่ายO 8 1s²2s²2p⁴ หรือ [He]2s²2p⁴ F 9 1s²2s²2p⁵ หรือ [He]2s²2p⁵ Ne 10 1s²2s²2p⁶ หรือ [He]2s²2p⁶ ดดั แปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าNa 11 1s²2s²2p63s¹ หรือ [Ne]3s¹ Mg 12 1s²2s²2p⁶3s² หรือ [Ne]3s² หมายเหตุ [He] แทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุฮีเลียม คือ 1s² [Ne] แทนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุฮีเลียม คือ 1s²2s²2p⁶ สงวนสทิ ธโิ์ ดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ย อเิ ลก็ ตรอนทอ่ี ยใู่ นระดบั พลงั งานหลกั สงู สดุ หรอื ชน้ั นอกสดุ ของอะตอมเรยี กวา่ เวเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอน (valence electron) เชน่ ธาตเุ บรลิ เลียมมีการจดั เรียงอเิ ล็กตรอนเป็น 1s²2s² จงึ มีจ�ำ นวนเวเลนซ์ อิเล็กตรอนเทา่ กบั 2 สว่ นฟลอู อรีนมกี ารจดั เรยี งอิเล็กตรอนเป็น 1s²2s²2p⁵ จึงมีจ�ำ นวนเวเลนซ์ ดัดแปลงอิเล็กตรอนเท่ากบั 7 การบรรจุอิเล็กตรอนตามลำ�ดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลักอาฟบาวดังที่ กลา่ วมาแลว้ มบี างธาตทุ ี่การบรรจุอเิ ล็กตรอนในระดบั พลงั งานย่อยไมเ่ ป็นไปตามหลกั การนั้น เช่น ธาตุ Cr เลขอะตอม 24 แสดงการบรรจอุ เิ ล็กตรอนในออร์บทิ ัลต่าง ๆ ได ้ ดังน้ี 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d⁵ ไม่ใช่ 4s²3d⁴ ธาตุ Cu มีเลขอะตอม 29 แสดงการบรรจุอเิ ลก็ ตรอนในออรบ์ ิทัลตา่ ง ๆ ไดด้ ังน้ี 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹3d¹⁰ ไม่ใช ่ 4s²3d⁹ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 78 ธาตทุ ี่ไดร้ ับหรอื เสยี อิเล็กตรอนสามารถเขยี นการจัดเรยี งอิเล็กตรอนไดด้ ังนี้ 1. กรณีที่ธาตุได้รับอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนปกติรวมกับอิเล็กตรอนที่รับเข้ามาตาม ลำ�ดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพตามหลักอาฟบาว เช่น N : 1s²2s²2p³ ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซา้ N³- : 1s²2s²2p⁶ (รับเพิ่ม 3 อิเล็กตรอน) Cl : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ Cl- : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ (รับเพิ่ม 1 อิเล็กตรอน) 2. กรณีที่ธาตุเสียอิเล็กตรอน ให้บรรจุอิเล็กตรอนตามปกติก่อน จากนั้นจึงนำ�อิเล็กตรอนที่ อยู่ชั้นนอกสุดออก เช่น สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่าย Al : 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ Al³+ : 1s²2s²2p⁶ (เสีย 3 อิเล็กตรอน) Fe : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶ Fe²+ : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶ ไม่ใช่ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁴ ดดั แปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซา้ (เสีย 2 อิเล็กตรอน) แบบฝกึ หดั 2.3 สงวนสิทธิ์โดย สสวท. หรือจา้ หน่าย1. ธาตวุ าเนเดยี มและแคดเมยี มมเี ลขอะตอม 23 และ 48 ตามล�ำ ดบั จงแสดงการจดั เรยี ง อิเลก็ ตรอนในระดับพลังงานยอ่ ยและจำ�นวนอเิ ลก็ ตรอนในระดบั พลังงานหลักของธาตุ ทง้ั สอง 2. ธาตุ A B และ C มกี ารจดั เรียงอเิ ลก็ ตรอนดงั น้ี ดดั แปลง ธาตุ A จัดเรยี งอิเลก็ ตรอนเปน็ 1s²2s²2p⁶3s²3p² ธาตุ B จัดเรียงอเิ ล็กตรอนเปน็ 1s²2s²2p⁶3s² ธาต ุ C จัดเรยี งอิเลก็ ตรอนเป็น 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶ 2.1 ธาต ุ A B C มเี ลขอะตอมเท่าใด 2.2 ธาตแุ ตล่ ะชนดิ มอี เิ ลก็ ตรอนอยใู่ นระดบั พลงั งานใดบา้ ง และมจี �ำ นวนเทา่ ใด 3. จงระบสุ ัญลักษณข์ องธาตุท่ีมีการจดั เรยี งอเิ ล็กตรอนดังต่อไปน้ี 3.1 [Ar]4s²3d¹⁰4p² 3.2 [Ne]3s²3p³ 3.3 [Kr]5s²4d⁵ 4. จงเขยี นการจัดเรียงอเิ ล็กตรอนในระดับพลงั งานย่อยของ Zn²+ Cu+ และ S²- สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 79 2.4 ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลกั ปจั จบุ นั นกั วทิ ยาศาสตรไ์ ดค้ น้ พบธาตแุ ลว้ เปน็ จ�ำ นวนมาก ธาตเุ หลา่ นน้ั อาจมสี มบตั บิ างประการ คล้ายกันและบางประการแตกต่างกัน จึงยากที่จะจดจำ�สมบัติต่าง ๆ ของแต่ละธาตุได้ทั้งหมด นักวทิ ยาศาสตรจ์ งึ หาเกณฑใ์ นการจดั ธาตทุ ม่ี สี มบตั คิ ลา้ ยกนั ใหอ้ ยใู่ นกลมุ่ เดยี วกนั เพอ่ื งา่ ยตอ่ การศกึ ษา ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้านกั เรยี นคดิ วา่ สมบตั ใิ ดของธาตทุ ส่ี ามารถใชเ้ ปน็ เกณฑใ์ นการจดั กลมุ่ ธาตุ 2.4.1 วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุ เมอ่ื มกี ารคน้ พบธาตแุ ละศกึ ษาสมบตั ขิ องธาตตุ า่ ง ๆ เหลา่ นแ้ี ลว้ นกั วทิ ยาศาสตรไ์ ดห้ าความสมั พนั ธ์ ระหว่างสมบัติต่าง ๆ ของธาตุและนำ�มาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มได้หลายแบบ ในปี พ.ศ. 2360 โยฮันน์ สงวนสทิ ธโ์ิ ดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ยโวลฟ์ กงั เดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) เปน็ นกั เคมีคนแรกทพ่ี ยายามจัดธาตุ เป็นกลุ่ม ๆ ละ 3 ธาตตุ ามสมบตั ทิ ่ีคล้ายคลึงกันเรยี กว่า ชดุ สาม (triads) โดยพบวา่ ธาตุกลางจะมี มวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ เช่น Na มีมวลอะตอม 23.0 และ เป็นธาตุกลางระหว่าง Li กับ K ซึง่ มีมวลอะตอม 6.9 และ 39.1 ตามลำ�ดับ ตวั อยา่ งการจดั ธาตุแบบ ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้าชดุ สามแสดงไดด้ งั ตาราง 2.8 แตเ่ มอ่ื น�ำ หลกั ของชดุ สามไปใชก้ บั ธาตกุ ลมุ่ อน่ื ทม่ี สี มบตั คิ ลา้ ยกนั พบวา่ ค่ามวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือ หลักชุดสามของ เดอเบอไรเนอร์จงึ ไมเ่ ป็นท่ียอมรบั ในเวลาตอ่ มา สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหน่ายรู้หรอื ไม่ มวลอะตอมเปน็ มวลของธาตุ 1 อะตอม ซ่งึ เป็นผลรวมของมวลโปรตรอน นิวตรอน ดัดแปลงและอเิ ล็กตรอน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 80 ตาราง 2.8 การจดั ธาตุแบบชดุ สามตามแนวคดิ ของเดอเบอไรเนอร์ ธาตทุ ี่ 1 ธาตุที่ 2 ธาตทุ ี่ 3 (มวลอะตอม) มวลอะตอมจริง (มวลอะตอม) มวลอะตอมเฉล่ียของธาตุที่ 1 และ 3 หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าLi K Na 39.1 6.9 23.0 23.0 O C 16.0 N สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หรือจา้ หน่าย12.0 14.0 Ba Ca 14.0 137.3 40.1 ดดั แปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าCl Sr I 35.5 87.6 126.9 สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ยS 88.7 32.1 Te Br 127.6 79.9 81.2 Se 79.0 79.9 ดัดแปลง ในปี พ.ศ. 2407 จอหน์ นวิ แลนด์ (John Newlands) นักวิทยาศาสตร์ชาวองั กฤษได้เสนอกฎ ในการจัดธาตุเป็นหมวดหมวู่ า่ ถา้ เรยี งธาตตุ ามมวลอะตอมจากน้อยไปมาก พบวา่ ธาตุท่ี 8 จะมีสมบัติ เหมอื นกบั ธาตุที่ 1 เสมอ (ไม่รวมธาตไุ ฮโดรเจนและแก๊สมสี กลุ ) เช่น เร่มิ ตน้ เรยี งโดยใชธ้ าตุ Li เป็น ธาตุท่ี 1 ธาตุที่ 8 จะเปน็ Na ซงึ่ มีสมบตั ิคล้ายธาตุ Li ดงั ตวั อย่างการจัดตอ่ ไปน้ี Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ 81 การจดั เรยี งธาตุตามแนวคดิ ของนิวแลนด์ใชไ้ ด้ถึงธาตุแคลเซยี มเท่านัน้ กฎนี้ไม่สามารถอธิบาย ไดว้ า่ เพราะเหตใุ ดมวลอะตอมจงึ เกย่ี วขอ้ งกบั สมบตั ทิ ค่ี ลา้ ยคลงึ กนั ของธาต ุ ท�ำ ใหไ้ มเ่ ปน็ ทย่ี อมรบั ในเวลา ตอ่ มา ในปี พ.ศ. 2412 ยลู ิอสุ โลทาร์ ไมเออร์ (Julius Lothar Meyer) นักวิทยาศาสตรช์ าวเยอรมนั ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าและดมิ ทิ รี เมนเดเลเอฟ (Dimitri Mendeleev) นกั วทิ ยาศาสตรช์ าวรสั เซีย ไดศ้ กึ ษารายละเอียด ของธาตตุ ่าง ๆ มากขน้ึ ท�ำ ให้มขี อ้ สงั เกตวา่ ถา้ เรียงธาตตุ ามมวลอะตอมจากนอ้ ยไปมาก จะพบว่า ธาตมุ สี มบัตคิ ลา้ ยกนั เป็นชว่ ง ๆ การที่ธาตตุ า่ ง ๆ มีสมบตั คิ ล้ายกันเปน็ ช่วงเช่นน้ี เมนเดเลเอฟตั้ง เป็นกฎเรียกว่า กฎพิริออดิก (periodic law) การจัดธาตเุ ปน็ หมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟไมไ่ ดย้ ึดการ เรยี งล�ำ ดบั ตามมวลอะตอมจากนอ้ ยไปมากเพยี งอยา่ งเดียว แต่ได้นำ�สมบตั ทิ ่ีคล้ายคลึงกันของธาตุที่ สงวนสิทธโิ์ ดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ยปรากฏซ�้ำ กนั เปน็ ช่วง ๆ มาพิจารณาดว้ ย นอกจากน้ยี ังไดเ้ วน้ ช่องว่างไวโ้ ดยคดิ วา่ นา่ จะเปน็ ตำ�แหนง่ ของธาตุที่ยังไมไ่ ดม้ กี ารค้นพบ โดยทต่ี �ำ แหน่งของธาตใุ นตารางธาตุมีความสัมพนั ธ์กบั สมบัตขิ องธาตุ เมนเดเลเอฟจึงไดท้ �ำ นายสมบัติของธาตุทย่ี งั ไม่มกี ารค้นพบ 3 ธาตุ ใหช้ อ่ื วา่ เอคา-โบรอน เอคา- อะลมู ิเนยี ม และเอคา-ซลิ ิคอน ในเวลาต่อมากไ็ ดค้ น้ พบธาตุสแกนเดียม แกลเลียม และเจอรเ์ มเนียม ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ท้าซ้าตามล�ำ ดับ ซึ่งมสี มบัติใกล้เคียงกบั ท่ีไดท้ ำ�นายไว้ ตัวอย่างธาตุเอคา-ซลิ คิ อน ซึง่ มีสมบตั ใิ กลเ้ คียงกับ ธาตุเจอร์เมเนยี ม เป็นดังน้ี ตาราง 2.9 เปรียบเทยี บสมบัติของเอคา-ซิลิคอนกบั เจอรเ์ มเนียม สงวนสิทธโิ์ ดย สสวท. หรือจา้ หน่ายสมบตั ิ เอคา-ซลิ คิ อน (Es) เจอรเ์ มเนยี ม (Ge) ทำ�นายเม่อื พ.ศ. 2414 ค้นพบเม่อื พ.ศ. 2429 มวลอะตอม 72 72.6 ความหนาแน่น (g/mL) 5.5 5.47 เทาเขม้ เทาขาว ดัดแปลงสี EsO₂ = 4.7 GeO₂ = 4.70 EsCl₄ = 1.9 GeCl₄ = 1.89 ความหนาแนน่ ของออกไซด์ (g/mL) ความหนาแน่นของคลอไรด์ (g/mL) สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 82 อยา่ งไรกต็ ามเมนเดเลเอฟไมส่ ามารถอธบิ ายไดว้ า่ เพราะเหตใุ ดจงึ ตอ้ งจดั เรยี งธาตตุ ามมวลอะตอม เนอ่ื งจากสมยั นน้ั นกั วทิ ยาศาสตรย์ งั ศกึ ษาโครงสรา้ งของอะตอมและไอโซโทปไดไ้ มช่ ดั เจน นกั วทิ ยาศาสตร์ ร่นุ ตอ่ มาเกดิ แนวความคดิ ว่า ต�ำ แหน่งของธาตใุ นตารางธาตุไมน่ า่ จะขนึ้ อยูก่ บั มวลอะตอมของธาตุ แตน่ ่าจะข้นึ อย่กู บั สมบัติอน่ื ทมี่ คี วามสัมพันธก์ บั มวลอะตอม ในปี พ.ศ. 2456 เฮนรี โมสลยี ์ (Henry หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าMoseley) นักวทิ ยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ไดเ้ สนอใหจ้ ัดธาตเุ รยี งตามเลขอะตอม เนือ่ งจากสมบัติตา่ ง ๆ ของธาตุมคี วามสัมพนั ธก์ บั ประจุบวกในนวิ เคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ตารางธาตุใน ปจั จุบนั จงึ ปรบั ปรุงมาจากตารางธาตขุ องเมนเดเลเอฟแต่เรยี งธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก ในหนงั สือเรียนนจี้ ะแสดงเลขหม่ขู องตารางธาตุ 2 ระบบท่ีต่างกัน ไดแ้ ก่ ระบบท่กี ำ�หนดหมู่ ธาตดุ ้วยเลขโรมนั และก�ำ กบั ดว้ ยตัวอักษร A และ B กบั ระบบท่กี �ำ หนดโดยสหภาพเคมีบรสิ ุทธแิ์ ละ สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรือจ้าหน่ายเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (International Union of Pure and Applied Chemistry , IUPAC) ดดั แปลสงงวนสิทธโิ์ ดยดสดั สแวปทล.ง หห้ารมอื เจผ้ายหแนพ่ารย่ ท้าซา้ซ่งึ ก�ำ หนดหมขู่ องธาตุด้วยตวั เลขอารบกิ ทัง้ หมด ตงั้ แต่หมทู่ ่ี 1 ถงึ 18 ดงั รูป 2.19 รปู 2.19 ตารางธาตใุ นปจั จุบัน ตารางธาตุดังรปู 2.19 แบ่งธาตใุ นแนวต้งั เป็น 18 แถว โดยเรียกแถวในแนวตงั้ วา่ หมู่ (group) และแบง่ ธาตใุ นแนวนอนเปน็ 7 แถว เรียกแถวในแนวนอนวา่ คาบ (period) ซ่ึงแตล่ ะคาบจัดเรียง ธาตุตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้นตามลำ�ดับ จำ�นวนธาตุในแต่ละคาบเป็นดังนี้ คาบที่ 1 มี 2 ธาตุ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 83 คาบที่ 2 และ 3 มีคาบละ 8 ธาตุ คาบที่ 4 และ 5 มีคาบละ 18 ธาตุ คาบที่ 6 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม กลุ่มแรกมี 17 ธาตุ คือ Cs ถึง Rn กลุ่มที่สองมี 15 ธาตุ คือ La ถึง Lu คาบที่ 7 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม เชน่ เดยี วกนั โดยกลุม่ แรกมี 17 ธาตุ คือ Fr ถงึ Og กลมุ่ ท่สี องมี 15 ธาตุ คือ Ac ถงึ Lr ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้า 2.4.2 กลุม่ ของธาตใุ นตารางธาตุ การที่นักวิทยาศาสตร์จัดธาตุในตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของ ธาตตุ า่ ง ๆ ถา้ แบง่ กลมุ่ ธาตตุ ามสมบตั คิ วามเปน็ โลหะจะแบง่ ไดเ้ ปน็ 3 กลมุ่ คอื ธาตโุ ลหะ (metal) เปน็ ธาตุทนี่ ำ�ไฟฟ้าและนำ�ความรอ้ นไดด้ ี ธาตุกง่ึ โลหะ (metalloid) เป็นธาตทุ ่นี ำ�ไฟฟ้าได้ไม่ดีทอ่ี ณุ หภมู ิ ห้องแตจ่ ะนำ�ได้ดีขึน้ เมื่ออุณหภมู ิสูงข้นึ และ ธาตุอโลหะ (nonmetal) ซ่ึงไม่น�ำ ไฟฟ้า ยกเวน้ คารบ์ อน สงวนสิทธิโ์ ดย สสวท. หรือจ้าหน่าย(แกรไฟต)์ และ ฟอสฟอรัสดำ� เมอื่ พิจารณาต�ำ แหนง่ ของธาตุในตารางธาตุตามรปู 2.19 พบว่า ธาตุ โลหะอยู่ทางดา้ นซา้ ยมือของตารางธาตุ (สเี ขยี ว) ธาตกุ ่งึ โลหะจะอยบู่ รเิ วณทเี่ ป็นข้นั บันได (สชี มพู) และธาตอุ โลหะจะอยขู่ วามอื ของตารางธาตุ (สฟี า้ ) ยกเวน้ ไฮโดรเจนอยทู่ างดา้ นซา้ ยมอื ของตารางธาตุ ถา้ แบง่ กลุ่มธาตใุ นตารางธาตุโดยพิจารณาการจดั เรยี งอเิ ล็กตรอนในออร์บทิ ัล s p d และ f ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าทีม่ พี ลังงานสงู สดุ และมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ จะแบ่งธาตไุ ด้เปน็ 4 กลุ่มใหญค่ ือ ธาตุกลมุ่ s ไดแ้ กธ่ าตุ ในหมู่ 1 และ 2 ธาตุกล่มุ p ไดแ้ ก่ ธาตุในหมู่ 13 ถงึ 18 (ยกเวน้ He) ธาตกุ ล่มุ d ไดแ้ ก่ ธาตุในหมู่ 3 ถึง 12 สว่ นธาตใุ นกลุ่ม f ไดแ้ ก่ กลุ่มธาตทุ อี่ ยู่ด้านล่างของตารางธาตุท่ีแยกมาจากหมู่ 3 คาบที่ 6 สงวนสทิ ธิ์โดยดสัดสแวปทล.ง หรอื จา้ หน่ายและ 7 ดงั รปู 2.20 รูป 2.20 ตำ�แหน่งของธาตตุ ามระดบั พลังงานยอ่ ย สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 84 ธาตุกลุ่ม s และกลุ่ม p เรียกรวมกันว่า ธาตุกลุ่ม A ซึ่งเป็นกลุ่มของธาตุเรพรีเซนเททีฟ (representative element) หรืออาจเรียกว่ากลุ่มธาตุหมู่หลัก (main group element) เมื่อ พิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุกลุ่ม A พบว่าธาตุในแนวตั้งที่อยู่ในกลุ่ม A จะมีเวเลนซ์ อิเล็กตรอนเท่ากันและจ�ำ นวนเวเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอนจะตรงกบั เลขหมู่ สำ�หรับธาตุตามแนวนอนที่อยใู่ น หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าคาบเดยี วกัน พบว่ามีจำ�นวนระดับพลังงานเท่ากัน และจำ�นวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่คาบ เช่น ธาตุ Na มีเลขอะตอมเทา่ กับ 11 จัดอเิ ล็กตรอนเปน็ 1s²2s²2p⁶3s¹ ซ่ึงมจี �ำ นวนอเิ ลก็ ตรอนใน แต่ละระดบั พลังงานเปน็ 2 8 1 ดงั นน้ั Na จงึ อยใู่ นหมู่ IA เพราะมเี วเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอนเทา่ กบั 1 และอยู่ ในคาบท่ี 3 เพราะมจี ำ�นวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ 3 ธาตุ Br มีเลขอะตอม 35 จดั อิเล็กตรอนเป็น 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁵ จงึ มจี �ำ นวน สงวนสิทธิ์โดย สสวท. หรอื จา้ หนา่ ยอเิ ลก็ ตรอนในแตล่ ะระดบั พลังงานเป็น 2 8 18 7 ดงั น้นั Br จึงอยู่ในหมู่ VIIA เพราะมีเวเลนซ์ อิเล็กตรอนเทา่ กบั 7 และอยใู่ นคาบท่ี 4 เพราะมีจ�ำ นวนระดับพลงั งานของอิเลก็ ตรอนเท่ากับ 4 ธาตบุ างหมมู่ ีการกำ�หนดชอ่ื ท่เี ป็นสากล เช่น หมู่ IA (1) มีช่อื เรยี กว่า โลหะแอลคาไล (alkali metal) ธาตหุ มู่ IIA (2) เรียกวา่ โลหะแอลคาไลนเ์ อิรท์ (alkaline earth metal) ธาตหุ มู่ VIIA (17) ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้าเรียกวา่ ธาตแุ ฮโลเจน (halogen) และหมู่ VIIIA (18) (ยกเว้น Og) เรียกวา่ แก๊สมสี กลุ (noble gas) ธาตุกล่มุ d และ f เรยี กรวมกันวา่ ธาตกุ ล่มุ B หรอื กล่มุ ธาตแุ ทรนซิชนั (transition element) ซ่ึงแบง่ เป็น ธาตแุ ทรนซิชันชัน้ นอก (outer transition) ไดแ้ ก่ธาตุกลุ่ม d และ ธาตุแทรนซิชนั ชั้นใน (inner transition) ไดแ้ กธ่ าตุกล่มุ f โดยธาตกุ ลมุ่ f ยงั สามารถแบ่งได้เปน็ 2 กลุ่มย่อย กลุ่มแรกอยู่ คาบท่ี 6 และมเี ลขอะตอมตง้ั แต่ 57–71 (La–Lu) เรยี กกลมุ่ นว้ี า่ กลมุ่ ธาตแุ ลนทานอยด์ (lanthanoid) สงวนสิทธ์โิ ดย สสวท. หรือจา้ หนา่ ยกลมุ่ ทส่ี องอยคู่ าบท่ี 7 และมเี ลขอะตอมตง้ั แต่ 89–103 (Ac–Lr) เรยี กกลมุ่ นว้ี า่ กลมุ่ ธาตแุ อกทนิ อยด์ (actinoid) เมอ่ื พจิ ารณาการจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอนของธาตแุ ทรนซชิ นั พบว่าจ�ำ นวนเวเลนซอ์ ิเลก็ ตรอน ส่วนใหญ่เทา่ กับ 2 เมือ่ พิจารณาธาตุกลมุ่ น้ีตามแนวนอนพบวา่ จ�ำ นวนระดบั พลังงานจะตรงกบั เลขท่ี คาบเช่นเดยี วกบั ธาตุในกล่มุ ธาตุหมหู่ ลกั ดดั แปลง จากการศึกษาการจัดเรียงธาตใุ นตารางธาตุ ชว่ ยให้ทราบวา่ ตารางธาตใุ นปัจจุบนั จัดธาตเุ ปน็ หมแู่ ละคาบโดยอาศัยสมบัติบางประการทคี่ ล้ายกัน สมบัตขิ องธาตหุ มูห่ ลักตามหมูแ่ ละตามคาบซง่ึ ได้แก่ ขนาดอะตอม รัศมีไอออน พลงั งานไอออไนเซชนั อเิ ล็กโทรเนกาตวิ ติ ี สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน มีแนวโน้มเปน็ ดังน้ี 2.4.3 ขนาดอะตอม ตามแบบจำ�ลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อเิ ลก็ ตรอนทีอ่ ยรู่ อบนวิ เคลยี สจะเคล่อื นทต่ี ลอดเวลา ด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำ�แหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำ�หนดขอบเขตที่แน่นอน ของอิเล็กตรอนได้ นอกจากนีอ้ ะตอมโดยทั่วไปไม่อยเู่ ป็นอะตอมเดย่ี วแต่จะมแี รงยดึ เหนย่ี วระหว่าง อะตอมไว้ด้วยกัน จงึ เปน็ เรื่องยากท่จี ะวัดขนาดอะตอม (atomic radius) ที่อยู่ในภาวะอสิ ระหรือ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 85 เปน็ อะตอมเดี่ยว ในทางปฏิบัตจิ งึ บอกขนาดอะตอมด้วย รศั มีอะตอม (atomic radius) ซง่ึ กำ�หนดให้ มีค่าเท่ากับคร่ึงหน่ึงของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองท่ีมีแรงยึดเหน่ียวระหว่างอะตอม ไว้ด้วยกนั หรอื ทอ่ี ยู่ชดิ กนั การศึกษารัศมีอะตอมของธาตุทำ�ให้ทราบขนาดอะตอมของธาตุและสามารถเปรียบเทียบ ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซา้ขนาดอะตอมของธาตุทอี่ ยใู่ นคาบเดียวกนั หรือหมเู่ ดยี วกันได ้ ตวั อยา่ งรศั มีอะตอมของธาตใุ นตาราง ธาตซุ ึง่ ได้จากการค�ำ นวณ แสดงดงั รูป 2.21 สงวนสทิ ธิโ์ ดยดสัดสแวปทลส.งงวหนรสอื ทิ จธา้ ิโ์หดนย่ายสสวท. หห้ารมอื เจผ้ายหแนพา่ รย่ ท้าซ้ารูป2.21 รัศมีอะตอม (พิโกเมตร)ของธาตุบางชนิด ดดั แปลง เมื่อพิจารณาขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันพบว่า ขนาดอะตอมมีแนวโน้มลดลง เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น อธิบายได้ว่าเนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับ พลงั งานเดยี วกัน แตม่ ีจำ�นวนโปรตอนในนิวเคลยี สแตกตา่ งกนั ธาตุทีม่ จี ำ�นวนโปรตอนมากจะดงึ ดดู เวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยแรงที่มากกว่าธาตุที่มีจำ�นวนโปรตอนน้อย เวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเข้าใกล้ นิวเคลียสได้มากกว่าทำ�ให้อะตอมมีขนาดเล็กลง ส่วนธาตุในหมู่เดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นจำ�นวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำ�นวนระดับ พลังงานที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นด้วย อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในจึงเป็นคล้ายฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่าง โปรตอนในนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอน ทำ�ให้แรงดึงดูดต่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีน้อย เป็นผลให้ ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 86 2.4.4 ขนาดไอออน อะตอมซง่ึ มจี �ำ นวนโปรตอนเทา่ กบั อเิ ลก็ ตรอน เมอ่ื รบั อเิ ลก็ ตรอนเพม่ิ เขา้ มาหรอื เสยี อเิ ลก็ ตรอน ออกไปอะตอมจะกลายเปน็ ไอออน การบอกขนาดของไอออนท�ำ ไดเ้ ชน่ เดยี วกบั การบอกขนาดอะตอม กล่าวคือจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน (ionic radius) ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของ ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซ้าไอออนคู่หนึ่ง ๆ ที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก ตัวอย่างรัศมีไอออนของ Mg²+ และ O2- ในสารประกอบ MgO แสดงดงั รปู 2.22 และ 2.23 สงวนสิทธ์โิ ดย สสวท. หรอื จ้าหน่ายMg:1s²2s²2p⁶3s² 160 pm O : 1s²2s²2p⁴ 73 pm ดัดแปลง ห้ามเผยแพร่ ท้าซา้รศั มีO²- = 140 pm รศั มี Mg²+ = 65 pm Mg²+ : 1s²2s²2p⁶ O²- : 1s²2s²2p⁶ 65 pm 140 pm สงวนสทิ ธิ์โดย สสวท. หรอื จ้าหน่ายรูป 2.22 รศั มีไอออนของ Mg²+ และ O2- รูป 2.23 เปรียบเทียบขนาดของอะตอมกับไอออน เมอ่ื โลหะท�ำ ปฏกิ ริ ยิ ากบั อโลหะ อะตอมของโลหะจะเสยี เวเลนซอ์ เิ ลก็ ตรอนกลายเปน็ ไอออนบวก ดัดแปลงจ�ำ นวนอเิ ลก็ ตรอนในอะตอมจงึ ลดลง ท�ำ ใหแ้ รงผลกั ระหวา่ งอเิ ลก็ ตรอนลดลงดว้ ย หรอื กลา่ วอกี นยั กค็ อื แรงดงึ ดดู ระหวา่ งประจใุ นนวิ เคลยี สกบั อเิ ลก็ ตรอนจะเพม่ิ มากขน้ึ ไอออนบวกจงึ มขี นาดเลก็ กวา่ อะตอม เดมิ สว่ นอะตอมของอโลหะนน้ั สว่ นใหญจ่ ะรบั อเิ ลก็ ตรอนเพม่ิ เขา้ มาและเกดิ เปน็ ไอออนลบ เนอ่ื งจากมี การเพม่ิ ขน้ึ ของจ�ำ นวนอเิ ลก็ ตรอน ขอบเขตของกลมุ่ หมอกอเิ ลก็ ตรอนจะขยายออกไปจากเดมิ ไอออนลบ จงึ มขี นาดใหญก่ วา่ อะตอมเดมิ ตวั อยา่ งขนาดอะตอมกบั ขนาดไอออนของธาตุ แสดงดงั รปู 2.24 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เลม่ 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ 87 สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หหา้ รมอื เจผา้ ยหแนพา่ รย่ ท้าซ้ารปู 2.24 รศั มีอะตอมและรศั มไี อออน (พิโกเมตร) ของธาตุบางชนิด ดดั แปลง ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซา้ เมอ่ื พจิ ารณาแนวโนม้ ของรศั มอี ะตอมและรศั มไี อออนตามหม ู่ สว่ นใหญม่ แี นวโนม้ มขี นาดเพม่ิ ขน้ึ จากบนลงลา่ งเชน่ เดยี วกบั ขนาดอะตอม รศั มไี อออนบวกจะมคี า่ นอ้ ยกวา่ รศั มอี ะตอม แตร่ ศั มไี อออนลบ จะมคี า่ มากกวา่ รศั มอี ะตอม สงวนสิทธโิ์ ดย สสวท. หรือจา้ หน่าย 2.4.5 พลังงานไอออไนเซชนั พลังงานปริมาณนอ้ ยทีส่ ดุ ท่ีทำ�ใหอ้ เิ ลก็ ตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะแก๊สเรยี กว่า พลงั งาน ไอออไนเซชนั (ionization energy, IE) โดยคา่ IE แสดงถงึ ความยากงา่ ยในการทำ�ให้อะตอมใน สถานะแก๊สกลายเป็นไอออนบวก โดย IE น้อยแสดงวา่ ท�ำ ใหเ้ ปน็ ไอออนบวกได้งา่ ยแต่ถ้า IE มาก ดัดแปลงแสดงวา่ ท�ำ ให้เป็นไอออนบวกไดย้ าก การทำ�ให้ไฮโดรเจนอะตอมในสถานะแก๊สกลายเป็นไฮโดรเจนไอออนในสถานะแก๊สเขียน แสดงได้ดงั นี้ H(g) H+(g) + e- การทำ�ให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยท่ีสุด 1318 กิโลจลู ต่อโมล น่ันคอื พลงั งานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนอะตอมเท่ากับ 1318 กิโลจูลต่อโมล ธาตุไฮโดรเจนมี 1 อิเล็กตรอน จึงมีค่าพลังงานไอออไนเซชันเพียงค่าเดียว ถ้าเป็นธาตุที่มีหลาย อเิ ลก็ ตรอนกจ็ ะมพี ลงั งานไอออไนเซชนั หลายคา่ พลงั งานนอ้ ยทส่ี ดุ ทท่ี �ำ ใหอ้ เิ ลก็ ตรอนตวั แรกหลดุ ออก สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 88 จากอะตอมทอ่ี ยใู่ นสถานะแกส๊ เรยี กวา่ พลงั งานไอออไนเซชนั ล�ำ ดบั ทห่ี นง่ึ (first ionization energy) เขียนยอ่ เปน็ IE₁ พลังงานที่ท�ำ ให้อิเลก็ ตรอนในลำ�ดับตอ่ ๆ มาหลดุ ออกจากอะตอมเรียกวา่ พลงั งาน ไอออไนเซชนั ล�ำ ดับท ่ี 2 3 … และเขียนย่อเปน็ IE₂ IE₃ … ตามลำ�ดับ เชน่ ธาตคุ ารบ์ อนมี 6 อเิ ลก็ ตรอนจงึ มพี ลงั งานไอออไนเซชนั 6 คา่ เขยี นแสดงไดด้ งั ตอ่ ไปน้ี ห้ามเผยแพร่ ทา้ ซา้ C(g) C+(g) + e- ; IE₁ = 1086 kJ/mol C+(g) C²+(g) + e- ; IE₂ = 2353 kJ/mol C²+(g) C³+(g) + e- ; IE₃ = 4621 kJ/mol C³+(g) C⁴+(g) + e- ; IE₄ = 6223 kJ/mol สงวนสทิ ธิโ์ ดย สสวท. หรอื จ้าหน่าย C⁴+(g) C⁵+(g) + e- ; IE₅ = 37831 kJ/mol C⁵+(g) C⁶+(g) + e- ; IE₆ = 42277 kJ/mol ดดั แปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้ชวนคดิ เพราะเหตใุ ด IE₄ กบั IE₅ ของธาตคุ ารบ์ อนจงึ มคี า่ แตกตา่ งกนั มาก สงวนสิทธ์โิ ดยดสัดสแวปทล.ง หรือจา้ หน่าย ส�ำ หรบั พลงั งานไอออไนเซชนั ของธาตุ 20 ธาตแุ รกเรยี งตามเลขอะตอมแสดงไวใ้ นตาราง 2.10 สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 89 สงวนสทิ ธ์โิ ดยดสัดสแวปทล.งหหา้รมอื เจผ้ายหแนพ่ารย่ ทา้ ซ้าตาราง 2.10 พ ัลงงานไอออไนเซ ัชนของธา ุต 20 ธา ุตแรกเ ีรยงตามเลขอะตอม หหา้รมือเจผา้ ยหแนพา่ รย่ ทา้ ซา้ สงวนสิทธโ์ิ ดยดสดั สแวปทล.ง หมายเห ุต ตัวเลขทาง ้ดานขวาของขั้น ับนได เ ็ปนค่า IE ของการ ำท�ใ ้ห ิอเล็กตรอนวงในหลุดออกจากอะตอม สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทที่ 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เล่ม 1 90 เมื่อเขียนกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไอออไนเซชันลำ�ดับต่าง ๆ ของแต่ละธาตุกับ ล�ำ ดบั ทข่ี องพลงั งานไอออไนเซชนั โดยใหแ้ กนนอนเปน็ ล�ำ ดบั ทข่ี องพลงั งานไอออไนเซชนั และแกนตง้ั เปน็ พลงั งานไอออไนเซชนั จะไดก้ ราฟดังรปู 2.25 หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้ก) ข)พ ัลงงานไอออไนเซ ัชน (MJ/mol) พ ัลงงานไอออไนเซ ัชน (MJ/mol) สงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หรือจ้าหนา่ ยล�ำ ดบั ทข่ี องพลงั งานไอออไนเซชนั ดัดแปลสงงวนสทิ ธโิ์ ดย สสวท. หหา้รมือเจผ้ายหแนพา่ รย่ ทา้ ซา้ค) ง) ล�ำ ดบั ทข่ี องพลงั งานไอออไนเซชนั พ ัลงงานไอออไนเซ ัชน (MJ/mol) ดัดแปลงล�ำ ดบั ทข่ี องพลงั งานไอออไนเซชนัพ ัลงงานไอออไนเซ ัชน (MJ/mol) ล�ำ ดบั ทข่ี องพลงั งานไอออไนเซชนั รปู 2.25 กราฟแสดงความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง IE กบั ล�ำ ดบั IE ของธาตบุ างชนดิ ก) ล�ำ ดบั IE ของธาตุ Li Be B C ข) ล�ำ ดบั IE ของธาตุ C N O F Ne ค) ล�ำ ดบั IE ของธาตุ Ne Na Mg Al ง) ล�ำ ดบั IE ของธาตุ Al Si P S Cl Ar สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทที่ 2 | อะตอมและสมบตั ิของธาตุ 91 ตรวจสอบความเข้าใจ นักเรียนคิดว่าค่าพลังงานไอออไนเซชันของธาตุใช้เป็นข้อมูลสำ�หรับการจัดกลุ่ม อเิ ลก็ ตรอนทอ่ี ยรู่ อบนวิ เคลยี สของแตล่ ะธาตไุ ดห้ รอื ไม่ อยา่ งไร ห้ามเผยแพร่ ท้าซ้า จากกราฟทำ�ให้ทราบว่าอะตอมมจี �ำ นวนระดับพลงั งาน และจ�ำ นวนอเิ ล็กตรอนในแต่ละระดับ พลังงานของอะตอมเทา่ ใด ซงึ่ สอดคลอ้ งกับตาราง 2.10 การเปรียบเทียบพลงั งานไอออไนเซชันของ ธาตุจะใช้เฉพาะค่าพลังงานไอออไนเซชนั ล�ำ ดบั ที่ 1 ซงึ่ เมือ่ นำ�คา่ พลงั งานไอออไนเซชันล�ำ ดับท่ี 1 สงวนสิทธ์โิ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่ายของธาตุบางธาตุในตารางธาตมุ าแสดงจะไดด้ ังนี้ ดดั แปลสงงวนสิทธ์ิโดย สสวท. หหา้ รมอื เจผา้ ยหแนพา่ รย่ ทา้ ซา้รปู 2.26 คา่ พลงั งานไอออไนเซชนั ล�ำ ดบั ท่ี1 ของธาตบุ างชนดิ ดดั แปลง เม่อื พิจารณาพลังงานไอออไนเซชนั ลำ�ดบั ที่ 1 ของธาตุตามคาบพบว่า มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตาม เลขอะตอม เนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีจำ�นวนโปรตอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้นและมีขนาดอะตอม เล็กลง แรงดงึ ดดู ระหวา่ งนิวเคลยี สกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเพม่ิ มากขนึ้ อเิ ล็กตรอนจึงหลดุ ออกจาก อะตอมไดย้ าก พลงั งานไอออไนเซชนั ล�ำ ดบั ท่ี 1 ของธาตตุ ามหมพู่ บวา่ มแี นวโนม้ ลดลงเมอ่ื เลขอะตอมเพม่ิ ขน้ึ เนือ่ งจากระยะระหว่างนวิ เคลียสกบั เวเลนซอ์ ิเลก็ ตรอนเพิ่มข้ึน ท�ำ ให้แรงดงึ ดดู ระหว่างนวิ เคลียสกบั เวเลนซ์อิเล็กตรอนลดลงอิเล็กตรอนจึงหลุดจากอะตอมได้ง่ายขึ้น ดังนั้นค่าพลังงานไอออไนเซชัน จึงสามารถใช้ในการพิจารณาความยากง่ายในการเกิดเป็นไอออนบวกของอะตอมธาตุแต่ละชนิด ถ้าพลังงานไอออไนเซชันมีค่าน้อย จะเกิดเป็นไอออนบวกได้ง่าย สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัตขิ องธาตุ เคมี เลม่ 1 92 2.4.6 สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอน พลังงานที่ถูกคายออกมาเมื่ออะตอมในสถานะแก๊สได้รับอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน เรียกว่า สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอน (electron affinity, EA) เขยี นสมการแสดงการเปลย่ี นแปลงไดด้ งั น้ี หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้ A(g) + e- A-(g) ถ้าค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนมีค่าเป็นบวก หมายความว่า อะตอมคายพลังงานเมื่อได้รับ อิเล็กตรอน แสดงว่าอะตอมของธาตุนั้นมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนได้ดี ความสามารถในการรับ อิเล็กตรอนของแต่ละธาตุมีความแตกต่างกัน ดังตัวอย่าง สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ย F(g) + e- F-(g) มคี า่ EA = 328 kJ/mol O(g) + e- O-(g) มคี า่ EA = 141 kJ/mol P(g) + e- P-(g) มคี า่ EA = 72 kJ/mol ดัดแปลง หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซ้า จากตวั อยา่ งแสดงวา่ อะตอม F มแี นวโนม้ ทจ่ี ะรบั อเิ ลก็ ตรอนดกี วา่ O และ P ตามล�ำ ดบั เมอ่ื อะตอมของธาตุรับ 1 อิเล็กตรอนแล้ว การรับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอีก 1 อิเล็กตรอนจะรับได้ยากขึ้น (เกดิ แรงผลกั กนั ) ดงั นน้ั คา่ สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนจงึ ลดลง สงวนสทิ ธ์ิโดย สสวท. หรอื จ้าหนา่ ยเชน่ O-(g) + e- O²-(g) มคี า่ EA = −744 kJ/mol คา่ สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนเปน็ ลบแปลวา่ ตอ้ งใสพ่ ลงั งานเพม่ิ เขา้ ไปเพอ่ื ใหร้ บั อเิ ลก็ ตรอนไดเ้ พม่ิ ดดั แปลงอกี 1 อเิ ลก็ ตรอน ตวั อยา่ ง คา่ EA ของธาตบุ างธาตแุ สดงดงั รปู 2.27 รปู 2.27 คา่ สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนของธาตบุ างชนดิ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เคมี เล่ม 1 บทท่ี 2 | อะตอมและสมบัติของธาตุ 93 เมอ่ื พจิ ารณาตามคาบพบวา่ คา่ สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนของธาตอุ โลหะ (ยกเวน้ ธาตหุ มู่ VIIIA) มคี า่ มากกวา่ ธาตโุ ลหะ แสดงวา่ ธาตอุ โลหะมแี นวโนม้ ทจ่ี ะรบั อเิ ลก็ ตรอนไดด้ กี วา่ ธาตโุ ลหะ เมอ่ื พจิ ารณา โดยภาพรวมทง้ั หมดจะพบวา่ ธาตหุ มู่ VIIA มคี า่ สมั พรรคภาพอเิ ลก็ ตรอนสงู ทส่ี ดุ แสดงวา่ มแี นวโนม้ ใน การรบั อเิ ลก็ ตรอนไดด้ กี วา่ ธาตหุ มอู่ น่ื ทเ่ี ปน็ เชน่ นอ้ี าจอธบิ ายไดว้ า่ การรบั 1 อเิ ลก็ ตรอนของธาตใุ นหมู่ หา้ มเผยแพร่ ทา้ ซา้นจ้ี ะท�ำ ใหอ้ ะตอมมกี ารจดั เรยี งอเิ ลก็ ตรอนเหมอื นธาตหุ มู่ VIIIA หรอื แกส๊ มสี กลุ ซง่ึ มคี วามเสถยี รมาก 2.4.7 อิเลก็ โทรเนกาติวติ ี อิเล็กโทรเนกาตวิ ิตี (electronegativity, EN) คือความสามารถของอะตอมในการดงึ ดดู อิเลก็ ตรอนค่ทู ใ่ี ช้รว่ มกันในโมเลกุลของสาร แนวโนม้ ค่าอิเลก็ โทรเนกาตวิ ิตขี องธาตุในตารางธาตุเปน็ สงวนสิทธโ์ิ ดย สสวท. หรอื จา้ หน่ายดังรปู 2.28 ดัดแปลสงงวนสทิ ธโ์ิ ดยดสัดสแวปทล.ง หห้ารมือเจผ้ายหแนพ่ารย่ ทา้ ซ้ารปู 2.28 คา่ อเิ ลก็ โทรเนกาตวิ ติ ขี องธาตบุ างชนดิ เมอ่ื พจิ ารณาคา่ อเิ ลก็ โทรเนกาตวิ ติ ขี องธาตใุ นคาบเดยี วกนั พบวา่ มแี นวโนม้ เพม่ิ ขน้ึ ตามเลขอะตอม เนอ่ื งจากในคาบเดยี วกนั อะตอมของธาตหุ มู่ IA มขี นาดใหญท่ ส่ี ดุ และหมู่ VIIA มขี นาดเลก็ ทส่ี ดุ ความ สามารถในการดงึ ดดู อเิ ลก็ ตรอนตามคาบจงึ เพม่ิ ขน้ึ จากหมู่ IA ไปหมู่ VIIA ดงั นน้ั ในคาบเดยี วกนั ธาตุ หมู่ IA จงึ มคี า่ อเิ ลก็ โทรเนกาตวิ ติ ตี �ำ่ ทส่ี ดุ สว่ นธาตหุ มู่ VIIA มคี า่ อเิ ลก็ โทรเนกาตวิ ติ สี งู ทส่ี ดุ ธาตใุ นหมู่ เดยี วกนั มแี นวโนม้ ของคา่ อเิ ลก็ โทรเนกาตวิ ติ ลี ดลงเมอ่ื เลขอะตอมเพม่ิ ขน้ึ เนอ่ื งจากขนาดของอะตอมท่ี เพม่ิ ขน้ึ เปน็ ผลใหน้ วิ เคลยี สดงึ ดดู อเิ ลก็ ตรอนลดลง สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี