บทที่ 1 อะตอมและตารางธาตุ

 อะตอมและตารางธาตุ

อะตอม คือ หน่วยที่เล็กที่สุดของสสารที่ยังคงสภาพความเป็นสสารอยู่ได้
แบบจำลองอะตอม ตามทฤษฎี 5 แบบ คือ

1. แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน
สสารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุดเรียกว่า อะตอม ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก

2. แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

-ค้นพบอิเล็กตรอน ที่ มีประจุไฟฟ้าลบ มีมวลประมาณ1/2000 ของมวลของ H

-โดยศึกษาพฤติกรรมของ หลอดรังสีแคโทด ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

3. แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

การกระเจิง (scattering) ของอนุภาค a โดยแผ่นทองคำบางๆ รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่ารังสีส่วนใหญ่ไม่เบี่ยงเบน และส่วนน้อยที่เบี่ยงเบนนั้น ทำมุมเบี่ยงเบนใหญ่มาก บางส่วนยังเบี่ยงเบนกลับทิศทางเดิมด้วย จำนวนรังสีที่เบี่ยงเบนจะมากขึ้นถ้าความหนาแน่นของแผ่นโลหะเพิ่มขึ้น

   อนุภาคมูลฐาน

การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์

          AZX  :  เลขมวล คือผลบวกของโปรตอน และนิวตรอนในนิวเคลียส   

                          เลขอะตอม คือ จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ซึ่ง =จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอม

   ตัวอย่าง การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์ 

      

ดังนั้น อะตอมของธาตุLithium ( Li )
มีจำนวนโปรตอน = 3 ตัว
อิเล็กตรอน = 3 ตัว
และนิวตรอน = 4 ตัว 

คำศัพท์ที่ควรทราบ

1. ไอโซโทป ( Isotope ) 

หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน 

2. ไอโซบาร์ ( Isobar ) 

หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีเลขอะตอมไม่เท่ากัน

3. ไอโซโทน ( Isotone ) 

หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันแต่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน

4. แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์ 

นักวิทยาศาสตร์จึงมีการศึกษาข้อมูลใหม่มาสร้างแบบจำลองที่เน้นรายละเอียดเกี่ยวกับการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส โดยศึกษาจากสเปกตรัมและค่าพลังงานไอออไนเซชัน

สเปกตรัม

สเปกตรัมเป็นแสงที่ถูกแยกกระจายออกเป็นแถบสีต่าง ๆ และแสงเป็นรูปหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แถบสีต่างๆในแถบสเปคตรัมของแสง

สเปกตรัมของธาตุ

แมกซ์ พลังค์ได้เสนอทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) และอธิบายเกี่ยวกับการเปล่งรังสีว่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมามีลักษณะเป็นกลุ่มๆ ซึ่งประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ เรียกว่า ควอนตัม (quantum) ขนาดของควอนตัมขึ้นกับความถี่ของรังสี และแต่ละควอนตัมมีพลังงาน (E) โดยที่ E เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ (u) ดังนี้

                                                                              

E=hν

E = พลังงาน 1 ควอนตัมแสง(J)

   h = ค่าคงที่ของพลังค์ (6.62x10-34 Js)

ν= ค่าความถี่ ( s-1)

5.แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดีแต่ ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมจนได้แบบจำลองใหม่ที่เรียกว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

การจัดเรียงอิเล็กตรอน

ในแต่ละชั้นของระดับพลังงาน จะมีจำนวนอิเล็กตรอนได้ ไม่เกิน 2n 2

ระดับพลังงานหลัก	จำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุด
n = 1 (K)	2(1) 2 = 2
n = 2 (L)	2(2) 2 = 8
n = 3 (M)	2(3) 2 = 18
n = 4 (N)	2(4) 2 = 32
n = 5 (O)	2(5) 2 =50
n = 6 (P)	2(6) 2 = 72
n = 7 (Q)	2(7) 2 = 98

ในแต่ละระดับชั้นพลังงาน จะมีระดับพลังงานชั้นย่อยได้ ไม่เกิน 4 ชั้นย่อย และมีชื่อเรียกชั้นย่อย ดังนี้ s , p , d , f

ระดับพลังงานชั้นย่อย s มี e - ได้ ไม่เกิน 2 ตัว            ระดับพลังงานชั้นย่อย p มี e - ได้ ไม่เกิน 6 ตัว

ระดับพลังงานชั้นย่อย d มี e - ได้ ไม่เกิน 10 ตัว        ระดับพลังงานชั้นย่อย f มี e - ได้ไม่เกิน 14 ตัว

วิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

 

                                                       รูป จัดเรียงอิเล็กตรอนตามลูกศร

ตัวอย่าง

Br มีเลขอะตอม = 35 ดังนั้นการจัดเรียง e-ของธาตุ Br = 2 8 18 7

ตารางธาตุ (Periodic table)

พลังงานไอออไนเซชัน (IE)

พลังงานไอออไนเซชัน คือ พลังงานที่ใช้ในการดึงอิเล็กตรอน 1 อนุภาค ออกจากอะตอมในสถานะแก๊ส กลายเป็นไอออนบวก

ธาตุที่มีอิเล็กตรอน 1 ตัวคือ ธาตุไฮโดรเจน (H)

H(g) → H+(g) + e- IE=1,318 kJ/mol

อิเล็กโตรเนกาติวิตี (EN)

คือ ค่าที่แสดงความสามารถในการดึงอิเล็กตรอนของอะตอมของธาตุในพันธะเคมีหนึ่ง อะตอมที่มีค่า ENสูงจะดึงดูดอิเล็กตรอนได้ดีกว่าอะตอมที่มีค่า EN ตำ

อิเลกตรอนอัฟฟินิตี (EA) (สัมพรรคอิเล็กตรอน)

คือ ระดับพลังงานที่ใช้ในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอิออนลบในสถานะก๊าช แล้วกลายเป็นอะตอมในสถานะก๊าช

Cl - (g) → Cl (g) + e ดูด

หรือพลังงานที่คายออกมา เมื่ออะตอมในสถานะก๊าชรับอิเล็กตรอน แล้วกลายเป็นอิออนในสถานะก๊าช

 Cl (g) + e → Cl- (g) คาย

จุดหลอมเหลวและจุดเดือด (Melting point , Boiling point)

สารต่าง ๆ จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าสารนั้น ๆ อยู่ในรูปโมเลกุลหรืออะตอม ความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคจะมีผลต่อจุดหลอมเหลวและจุดเดือด สารที่ที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคแข็งแรงมากจุดหลอมเหลวและจุดเดือดจะสูง ส่วนสารที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคแข็งแรงน้อย จุดหลอมเหลวและจุดเดือดจะต่ำ

1. แนวโน้มจุดหลอมเหลวและจุดเดือดตามคาบ

เมื่อพิจารณาตามคาบ ธาตุหมู่ IA IIA IIIA และ IVA จุดหลอมเหลวและจุดเดือดมีแนวโน้มสูงขึ้นตามลำดับ โดยเฉพาะหมู่ IVA จะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงที่สุด ส่วนหมู่ VA VIA VIIA และ VIIIA จุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ

2. แนวโน้มจุดหลอมเหลวและจุดเดือดตามหมู่

เมื่อพิจารณาตามหมู่พบว่าจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของธาตุหมู่ IA IIA และ IIIA ส่วนใหญ่มีค่าลดลงเมื่อมีเลขอะตอมเพิ่มขึ้น หรือมีแนวโน้มลดลงจากบนลงล่างตามหมู่ เนื่องจากมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้น ความแข็งแรงของพันธะโลหะจะลดลงตามหมู่ ส่วนธาตุหมู่ VA VIA VIIA และ VIIIA มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอม ซึ่งเป็นผลมาจากมีมวลอะตอมเพิ่มขึ้น ทำให้แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (แรงแวนเดอร์วาลส์) มีค่ามากขึ้น สำหรับจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของธาตุหมู่ IVA มีแนวโน้มที่ไม่ชัดเจน เนื่องจากธาตุหมู่ IVA มีโครงสร้างและแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมแตกต่างกัน จึงไม่สามารถสรุปแนวโน้มได้

เลขออกซิเดชัน (Oxidation number)

หมายถึงจำนวนประจุไฟฟ้าหรือประจุไฟฟ้าสมมติของไอออนหรืออะตอมของธาตุ

เกณฑ์การกำหนดค่าเลขออกซิเดชัน มีเกณฑ์ดังนี้

1.ธาตุอิสระทุกชนิดทั้งที่อยู่ในรูปอะตอมหรือโมเลกุล มีเลขออกซิเดชันเท่ากับศูนย์ เช่น Fe , Zn , H2 , N2 , O2 , P4 , S8 ต่างมีเลขออกซิเดชันเท่ากับศูนย์

2. ออกซิเจนในสารประกอบทั่วไปมีเลขออกซิเดชัน -2 ยกเว้นในสารประกอบเปอร์ออกไซด์ เช่น Na2O2 , H2O2 , BaO2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน -1 ในสารประกอบซูเปอร์ออกไซด์ เช่น KO2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน -1/2 ในสารประกอบ OF2 ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชัน +2

3. ไฮโดรเจนในสารประกอบทั่วไปมีเลขออกซิเดชัน +1 ยกเว้นในสารประกอบโลหะไฮไดรด์ เช่น NaH ไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชัน -1

4. ไอออนของธาตุมีเลขออกซิเดชันเท่ากับประจุของไอออนนั้น เช่น H+ เลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 , Ca2+ เลขออกซิเดชันเท่ากับ +2 , Cl- เลขออกซิเดชันเท่ากับ -1 เป็นต้น

5. ไอออนที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 1 ชนิด ผลรวมของเลขออกซิเดชันของทุกอะตอมเท่ากับประจุของไอออนนั้น เช่น Cr2O7 2- มีประจุ -2 ผลรวมของเลขออกซิเดชันของ Cr2O7 2- จึงเท่ากับ -2

6. ในสารประกอบใด ผลรวมของเลขออกซิเดชันของทุกอะตอมเท่ากับศูนย์ เช่น CaO เลขออกซิเดชันของแคลเซียมเท่ากับ +2 ของออกซิเจนเท่ากับ -2 ซึ่งรวมกันจะเท่ากับศูนย์

ตัวอย่างที่ จงหาเลขออกซิเดชันของ Mn ในสารประกอบ KMnO4

ผลรวมเลขออกซิเดชันของ KMnO4	=	0
K + Mn + 4(O)	=	0
(+1) + Mn + 4(-2)	=	0
Mn	=	(+8) - 1
	=	+7