อะตอมและสมบัติของธาตุ

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)

 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

ธาตุในกลุ่ม s, p, d, และ f-block

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

แนวโน้มขนาดอะตอมในตารางธาตุ

2. รัศมีไอออน

ไอออน  คือ อะตอมของธาตุ  หรือกลุ่มอะตอมของธาตุที่มีประจุ  คือ ไอออนทุกชนิดจะต้องมีจำนวนโปรตอนไม่เท่ากับอิเล็กตรอนถ้าจำนวนโปรตอนมากกว่าอิเล็กตรอนเป็นไอออนบวก  และถ้ามีจำนวนโปรตอนน้อยกว่าอิเล็กตรอนเป็นไอออนลบ

การบอกขนาดไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม ซึ่งพิจารณาจากระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งๆ ที่มีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก

ตัวอย่างรัศมีไอออน

แนวโน้มของขนาดไอออนในตารางธาตุ

แนวโน้มขนาดไอออน

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)  Li2+(g) + e–            IE2 = 7,394 kJ/mol

Li2+(g)  Li3+(g) + e–           IE3 = 11,815 kJ/mol

ตัวอย่างกราฟไอออนไนเซชัน

แนวโน้มค่า IE