อะตอมและสมบัติของธาตุ
1. แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
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
อนุภาค
|
ประจุ(หน่วย)
|
ประจุ(C)
|
มวล(g)
|
มวล(amu)
|
อิเล็กตรอน
|
-1
|
1.6 x 10-19
|
0.000549
|
9.1096 x 10-28
|
โปรตรอน
|
+1
|
1.6 x 10-19
|
1.007277
|
1.6726 x 10-24
|
นิวตรอน
|
0
|
0
|
1.008665
|
1.6749 x 10-24
|
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
สเปกตรัม
|
ความยาวคลื่น (nm)
|
ม่วง
น้ำเงิน
เขียว
เหลือง
ส้ม
แดง
|
400 - 420
420 - 490
490 - 580
580 - 590
590 - 650
650 - 700
|
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
หลักในการจัดเรียงอิเล็กตรอน
1. จำนวน e- ที่มีได้มากสุดในแต่ละระดับพลังงาน 2n2
n = 1 สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2(1)2 = 2
n = 2 สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2(2)2 = 8
n = 3 สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2(3)2 = 18
n = 4 สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2(4)2 = 32
n = 5 สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้ 2(5)2 = 50
2. จำนวน e- ชั้นนอกสุด (เวเลนซ์อิเล็กตรอน) ห้ามเกิน 8
ตารางแสดงระดับพลังงานและจำนวนอิเล็กตรอนที่มีได้เต็มที่ในแต่ละระดับพลังงาน
ตัวอย่างการจัดเรียงอิเล็กตรอน
ตัวอย่างการจัดเรียงอิเล็กตรอน
หมู่ 1A คาบ 2
เวเลนซ์อิเล็กตรอน 1
ระดับพลังงาน 2
ตัวอย่างการจัดเรียงอิเล็กตรอน
หมู่ 6A คาบ 3
เวเลนซ์อิเล็กตรอน 6
ระดับพลังงาน 3
เวเลนซ์อิเล็กตรอนกับสมบัติของธาตุ
1. ธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกันมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน จึงทำให้มีสมบัติคล้ายคลึงกัน
2. ธาตุในหมู่ย่อย A มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับเลขที่ของหมู่
3. ธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนไม่เท่ากัน โดยมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา
ดังนั้นธาตุในคาบเดียวกันจึงมีสมบัติต่างกัน
4.ธาตุในคาบเดียวกันมีจำนวนระดับพลังงานเท่ากันและเท่ากับเลขที่ของคาบ
ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก
1. โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์ (Johann DÖbereiner,1817)
ธาตุในกลุ่ม s, p, d, และ f-block
แนวโน้มขนาดอะตอมในตารางธาตุ
แนวโน้มขนาดไอออน
ตัวอย่างกราฟไอออนไนเซชัน
1. โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์ (Johann DÖbereiner,1817)
จัดธาตุเป็นกลุ่มๆ ละ 3 ธาตุ ตามสมบัติที่คล้าย คลึงกัน เรียกว่า Triads โดยธาตุตัวกลางจะมีมวลอะตอมเท่ากับหรือใกล้เคียงกับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุ
2. จอห์น นิวแลนด์ (John Newlands)
ถ้านำธาตุมาเรียงมาตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้นเป็นแถว แถวละ 7 ธาตุ ธาตุที่ 8 จะมีสมบัติคล้ายกับธาตุที่ 1 โดยเริ่มจากธาตุใดก็ได้
* กฎนี้ใช้ได้กับธาตุที่มีมวลอะตอมไม่เกินมวลอะตอมของแคลเซียมเท่านั้น
3. เมนเดเลเอฟ และไมเออร์ (Mendeleev,1869)
ถ้าเรียงธาตุตามลำดับมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก ธาตุที่มีคุณสมบัติคล้ายกันจะปรากฏอยู่ตรงกันเป็นช่วงๆ ตามการเปลี่ยนค่าของมวลอะตอม
เรียกว่า สมบัติของธาตุต่างๆ เป็นฟังก์ชันพิริออดิกของมวลอะตอมของธาตุเหล่านั้น
กฎพีริออดิก (Periodic Law)
“สมบัติทางเคมีและสมบัติทางกายภาพของธาตุต่างๆ นั้นเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะที่เป็นช่วงๆโดย จะสัมพันธ์กับมวลอะตอมของมัน”
สรุปเกี่ยวกับตารางธาตุ แบ่งธาตุในแนวตั้ง (หมู่) แบ่งออกเป็น 18 แถว โดยธาตุทั้งหมด 18 แถว แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ
– กลุ่ม A มี 8 หมู่ คือ IA ถึง VIIIA
– กลุ่ม B มี 8 หมู่ คือ IB ถึง VIIIB เรียกว่า ธาตุแทรนซิชัน (Transition)
โดย
- ธาตุหมู่ที่ IA เรียกว่า “โลหะแอลคาไลน์” ได้แก่ Li Na K Rb Cs และ Fr
- ธาตุหมู่ที่ IIA เรียกว่า “ โลหะอัลคาไลน์ เอิร์ท” ได้แก่ Be Mg Ca Sr Ba และ Ra
- ธาตุหมู่ที่ VIIA เรียกว่า “ธาตุเฮโลเจน (Halogen)” ได้แก่ F , Cl , Br , I และ At
- ธาตุหมู่ที่ VIIIA เรียกว่า “ก๊าซเฉื่อย (Inert gas or Noble gas)” ได้แก่ He , Ne , Ar , Kr , Xe และ Rn
ตารางธาตุในแนวนอนเรียกว่า “คาบ” แบ่งได้ 7 คาบ
- คาบที่ 6 แบ่งธาตุเป็น 2 กลุ่ม
– กลุ่มแรกมี 18 ธาตุ คือ Cs ถึง Rn
– กลุ่มที่สองมี 14 ธาตุ คือ Ce ถึง Lu เรียกกลุ่มนี้ว่าLantanides
- คาบที่ 7 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม
– กลุ่มแรกเริ่มจาก Fr เป็นต้นไปและมีการค้นพบเกิดขึ้นตลอดเวลา
– กลุ่มสองมี 14 ธาตุคือ Th ถึง Lr เรียงกลุ่มนี้ว่า Actinides
“หมู่เดียวกัน จะมีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากัน ซึ่งเท่ากับ เลขประจำหมู่”
“คาบเดียวกัน จะมีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน ซึ่งเท่ากับ เลขที่คาบ”
กลุ่ม s, p, d และ f-block สามารถจัดกลุ่มได้ดังรูป
การตั้งชื่อธาตุที่ค้นพบใหม่ ตั้งตามระบบ IUPAC (InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry)
- ใช้กับธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 100 ขึ้นไป
- ให้ตั้งชื่อธาตุโดยระบุเลขอะตอมเป็น ภาษาละติน แล้วลงท้ายด้วย– ium
ระบบการนับเลขในภาษาละติน
0 นิล (nil)
1 อูน (un)
2 ไบ (bi)
3 ไตร (tri) 4 ควอด (quad) 5 เพนท์ (pent) 6 เฮกซ์ (hex) 7 เซปท์ (sept) 8 ออกต์(oct) 9 เอนน์ (enn) ตัวอย่างการเรียกชื่อ
- ธาตุที่ 104 ตามระบบ IUPAC อ่านว่า
Unn+nil+quad+ium = Unnilquadium
- ธาตุที่ 105 อ่านว่า
Unn+nil+pent+ium = Unnilpentium
ส่วนที่ 2 สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ
1. ขนาดอะตอม
การบอกขนาดอะตอมจะบอกโดยใช้รัศมีอะตอม ซึ่งมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรงยึดเหนี่ยวอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกัน รัศมีอะตอมมีหลายแบบ ขึ้นอยู่กับชนิดของแรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม
– รัศมีโคเวเลนต์ คือ ระยะทางครึ่งหนึ่งของความยาวพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน
ตัวอย่างรัศมีโคเวเลนต์
– รัศมีแวนเดอร์วาลล์ คือระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้ที่สุด
ตัวอย่างรัศมีแวนเดอร์วาลล์
– รัศมีโลหะ คือ ระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมโลหะที่อยู่ใกล้กันมากที่สุด
แนวโน้มขนาดอะตอมในตารางธาตุ
2. รัศมีไอออน
ไอออน คือ อะตอมของธาตุ หรือกลุ่มอะตอมของธาตุที่มีประจุ คือ ไอออนทุกชนิดจะต้องมีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากับอิเล็กตรอนถ้าจำนวนโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนเป็นไอออนบวก และถ้ามีจำนวนโปรตอนน้อยกว่าอิเล็กตรอนเป็นไอออนลบ
การบอกขนาดไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม ซึ่งพิจารณาจากระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งๆ ที่มีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก
ตัวอย่างรัศมีไอออน
แนวโน้มของขนาดไอออนในตารางธาตุ
3. พลังงานไออนไนเซชัน (Ionization Energy; IE)
คือ พลังงานจำนวนน้อยที่สุดที่ใช้ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของธาตุที่เป็นแก๊สครั้งละ 1 อิเล็กตรอนทำให้กลายเป็นไอออนบวกที่เป็นแก๊ส
สามารถเขียนสมการได้ดังนี้
X(g) + IE —-> X+ (g) + e–
ตัวอย่าง ค่า IE1 ถึง IE3 ของ Li
Li(g) 
Li+(g) + e– IE1 = 520 kJ/mol
Li+(g) + e– IE1 = 520 kJ/mol
Li+(g) Li2+(g) + e– IE2 = 7,394 kJ/mol
Li2+(g) + e– IE2 = 7,394 kJ/mol
Li2+(g) Li3+(g) + e– IE3 = 11,815 kJ/mol
Li3+(g) + e– IE3 = 11,815 kJ/mol
ตัวอย่างกราฟไอออนไนเซชัน
แนวโน้มค่า IE
