บทที่2 อะตอมและสมบัติของธาตุ

1.1 ชนิดของธาตุ

       
    ธาตุ คือ สารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน มีสถานะต่าง ๆ ทั้งของแข็ง ของเหลวและก๊าซ ธาตุต่างชนิดกันสามารถรวมตัวหรือทำปฏิกิริยากันกลายเป็นสารประกอบชนิดต่าง ๆ ด้วยอัตราส่วนโดยมวลคงที่ 

1.2 แนวโน้มความเป็นโลหะและอโลหะของธาตุในตารางธาตุ

         

   ในภาวะปกติ ธาตุบางชนิดดำรงอยู่สถานะของแข็ง บางชนิดเป็นของเหลว และบางชนิดเป็นก๊าซ  เราสามารถแบ่งสมบัติของธาตุทั้งหมดออกได้เป็นสามพวกใหญ่ๆ คือ โลหะ อโลหะ และกึ่งโลหะ

 การที่เราจำแนกธาตุทั้งหลายออกเป็นโลหะกับอโลหะนั้น ก็เนื่องจากธาตุต่างๆ มีสมบัติเฉพาะตัวแตกต่างกัน  แต่ก็มีสมบัติบางประการเหมือนกันหรือคล้ายกัน ซึ่งพอจะแยกออกเป็นสามพวกได้ดังนี้

          

          1. โลหะ (metal) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้าได้ นำความร้อนที่ดี เหนียว มีจุดเดือดสูง ปกติเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง (ยกเว้น ปรอท) เช่น แคลเซียม อะลูมิเนียม เหล็ก เป็นต้น

          2. อโลหะ (non-metal) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติไม่นำไฟฟ้า มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ เปราะบาง และมีการแปรผันทางด้านคุณสมบัติทางกายภาพมากกว่าโลหะ เช่น ออกซิเจน กำมะถัน ฟอสฟอรัส เป็นต้น

         3. กึ่งโลหะ (metalloid) เป็นกลุ่มธาตุที่มีสมบัติก้ำกึ่งระหว่างโลหะและอโลหะ เช่น ธาตุซิลิคอน และเจอเมเนียม มีสมบัติบางประการคล้ายโลหะ เช่น นำไฟฟ้าได้บ้างที่อุณหภูมิปกติ และนำไฟฟ้าได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เป็นของแข็ง  เป็นมันวาวสีเงิน จุดเดือดสูง แต่เปราะแตกง่ายคล้ายอโลหะภาพที่ 4 การแบ่งสมบัติของธาตุทั้งหมดออกเป็นโลหะ อโลหะ และกึ่งโลหะ

1.3 ประโยชน์ของธาตุ

1.4 อะตอมและโครงสร้างอะตอม

        

    ส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุซึ่งเข้าทําปฏิกิริยาเคมีได้ อะตอม ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานที่สําคัญ คือ นิวเคลียสเป็นแกนกลาง และมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่โดยรอบ, เดิมเรียกว่า ปรมาณู

    ดีโมครีตัส ( นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้นจาก อนุภาคที่เล็กมาก  เล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้   อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธิการต่างๆ สำหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถจะแตกแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกได้  ดีโมครี- ตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่าอะตอม (Atom)   จากภาษากรีกที่ว่า  atoms  ซึ่งมีความหมายว่า  ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก   ตามความคิดเห็นของเขา  อะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้

ประโยชน์จากการเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอม

1. ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ
2. เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพิจารณาจากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว

แบบจำลองอะตอมของจอห์นดอลตัน

จอห์น    ดอลตัน    นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมโดยอาศัยข้อมูลจากการทดลองที่พอจะศึกษาได้และนับว่าเป็นทฤษฎีแรกที่เกี่ยวกับอะตอมที่พอจะเชื่อถือได้   ซึ่งมีใจความดังนี้

• สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “ อะตอม”
• อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้    และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้
• อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ
• อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน
• ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ    โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย    เช่น     CO   CO 2

จากทฤษฎีอะตอมของดาลตัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

  

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

• ทอมสัน    ค้นพบ อิเล็กตรอน
• การทดลองของรอเบิร์ด   แอนดรูส์  มิลลิแกน   ได้ผลการทดลองว่า อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ   1.60 x 10 -19 คูลอมบ์ และอิเล็กตรอนมีมวลเท่ากับ 9.11  x  10 -28 กรัม
• โกลด์สไตน์    ค้นพบ โปรตอน

จากผลการทดลองของทอมสัน โกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้นเขาจึงเสนอแบบจำลองอะตอมว่า

• อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม
• อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด    แต่อะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน  และอนุภาคอื่นๆอีก
• อะตอมประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นลบ    อนุภาคโปรตอนมีประจุเป็นบวก
• อะตอมจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ
• อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า   เพราะ มีจำนวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ

จากทฤษฎีอะตอมของทอมสัน แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

    สรุปแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกันอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง

จากทฤษฎีอะตอมของ รัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

    นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษษเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอม ซึ่งทำให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอโอไนเซชัน เพื่อดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว

    นีลส์โบร์   ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา สรุปได้ดังนี้
1 . อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน  และแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว
2. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่ำสุดยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น   ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น     
3. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน  n =  1   ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน  n =2, n = 3,... ตามลำดับ   หรือเรียกเป็นชั้น   K , L , M , N  ,O ,  P , Q ....

จากทฤษฎีอะตอมของ นีลส์โบร์ แบบจำลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

     

     เป็นแบบจำลองที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นไปได้มากที่สุดทั้งนี้ได้จากการประมวลผลการทดลองและข้อมูลต่างๆ   

    

     อะตอมภายหลังจากที่นีลส์โบร์  ได้เสนอแบบจำลองอะตอมขึ้นมา อาจสรุปได้ดังนี้

1. อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน  บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง จึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนได้   แต่ถ้าบอกได้แต่เพียงที่พบอิเล็กตรอนตำแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่วไป ในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า " กลุ่มหมอก"
2. กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน
3. กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส
4. อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่
5. อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน

ลักษณะแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

อนุภาคมูลฐานของอะตอม

      

  ชนิดของอนุภาคมูลฐานของอะตอม ทุกอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สำคัญคือ โปรตอน, นิวตรอน  และอิเล็กตรอน   โดยมีโปรตอนกับนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียส   นิวเคลียสนี้จะครอบครองเนื้อที่ภายในอะตอมเพียงเล็กน้อย   และมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วสูง   คล้ายกับมีกลุ่มประจุลบปกคลุมอยู่โดยรอบ

เลขอะตอม เลขมวล และสัญลักษณ์นิวเคลียร์

      

      1. จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเรียกว่า เลขอะตอม

      2. ผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอนเรียกว่า เลขมวล

  

การจัดเรียงอิเล็กตรอน

หลักในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

    1. อิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสนั้น จะอยู่กันเป็นชั้นๆตามระดับพลังงาน ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดจะมีพลังงานต่ำที่สุด และอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นถัดออกมาจะมีพลังงานสูงขึ้นๆ ตามลำดับ

    2. ในแต่ละชั้นของระดับพลังงาน จะมีจำนวนอิเล็กตรอนได้ ไม่เกิน 2n

    

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

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ 

          สัญลักษณ์นิวเคลียร์ (nuclear symbol) เป็นสัญลักษณ์ที่แสดงจำนวนอนุภาคมูลฐานของอะตอมด้วยเลขมวลและเลขอะตอม เขียนแทนด้วยสัญลักษณ์ดังนี้

โดยที่  X  คือ  สัญลักษณ์ธาตุ
            Z  คือ  เลขอะตอม (atomic number) เป็นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส
            A  คือ  เลขมวล (mass number) เป็นผลบวกของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอน

 หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

1. จะต้องจัดเรียงอิเล็กตรอนเข้าในระดับพลังงานต่ำสุดให้เต็มก่อน จึงจัดให้อยู่ระดับพลังงานถัดไป
2. เวเลนซ์อิเล็กตรอนจะเกิน 8 ไม่ได้
3. จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานถัดเข้าไปของธาตุในหมู่ IA , IIA เท่ากับ 8 ส่วนหมู่ IIIA – VIIIA เท่ากับ 18

การจัดอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน

ใช้ หลักอาฟบาว (Aufbau principle) ในจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งสรุปได้ดังนี้

1. ใช้หลักของเพาลี ในการบรรจุอิเล็กตรอน คือ ในแต่ละออร์บิทัลจะบรรจุอิเล็กตรอนได้อย่างมากที่สุด 2 ตัว (มีสปินต่างกัน)
2. บรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานต่ำสุดที่ยังว่างก่อน (เรียงลำดับออร์บิทัลตามลูกศรในรูป) จนครบจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในอะตอมนั้น การจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบนี้จะทำให้อะตอมมีสถานะเสถียรที่สุดเพราะพลังงานรวมทั้งหมดของอะตอมมีค่าต่ำสุด
3. การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากันเช่นออร์บิทัล d จะใช้ กฎของฮุนด์ (Hund's rule) คือ"การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน จะบรรจุในลักษณะที่ทำให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุด"
4. การบรรจุอิเล็กตรอนที่ทุกๆออร์บิทัล มีระดับพลังงานเป็น degenerate (ระดับพลังงานเท่ากัน) ทุกออร์บิทัลอาจมีอิเล็กตรอนอยู่เต็ม (2 อิเล็กตรอนต่อ 1 ออร์บิทัล) หรือมีอิเล็กตรอนอยู่เพียงครึ่งเดียว (1 อิเล็กตรอนต่อ 1 ออร์บิทัล)