1. บทที่ 5 โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอม
ดีโมครีตัส (นักปราชญ์ชาวกรีก) ได้กล่าวว่าทุกสิ่งทุกอย่างประกอบขึ้นจาก อนุภาคที่เล็กมาก
เล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้อนุภาคเล็กๆ เหล่านี้จะรวมพวกเข้าด้วยกันโดยวิธิการต่างๆ
สาหรับอนุภาคเองนั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงและไม่สามารถจะแตกแยกออกเป็นชิ้นส่วนที่เล็กลงไปอีกได้ ดีโมครี-
ตัสตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า อะตอม (Atom) จากภาษากรีกที่ว่า atoms ซึ่งมีความหมายว่า ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก
ตามความคิดเห็นของเขาอะตอมเป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดของสสารที่สามารถจะคงอยู่ได้
ภาพการแปรียบเทียบขนาดของอะตอม
ประโยชน์จากการเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอม
1. ทราบสมบัติทางเคมีและสมบัติการเปล่งแสงของธาตุ
2. เราสามารถศึกษาแกแล็กซี่ (galaxy) ดวงดาวและดาวเคราะห์ต่างๆ โดยพิจารณาจากการศึกษาสเปกตรัมที่ได้จากดวงดาว
แบบจาลองอะตอมของจอห์นดอลตัน
จอห์นดอลตัน
นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอมโดยอาศัยข้อมูลจากการทดลองที่พอจะศึกษาได้และนับว่าเป็นทฤษฎีแรก
ที่เกี่ยวกับอะตอมที่พอจะเชื่อถือได้ ซึ่งมีใจความดังนี้
-สารทุกชนิดประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กที่สุดเรียกว่า “ อะตอม”
-อะตอมจะไม่สามารถแบ่งแยกได้ และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้
-อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันจะมีสมบัติเหมือนกันทุกประการ
-อะตอมของธาตุต่างกันจะมีสมบัติต่างกัน

2. ธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปสามารถรวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ โดยมีอัตราส่วนการรวมตัวเป็นตัวเลขอย่างง่าย เช่น CO
CO 2
จากทฤษฎีอะตอมของดาลตัน แบบจาลองอะตอมมีลักษณะดังรูป
ลักษณะแบบจาลองอะตอมของดอลตัน
(ตามทฤษฎีอะตอมของดอลตัน อะตอมในแนวคิดปัจจุบัน ข้อ 1, 3, 4ใช้ไม่ได้ในปัจจุบัน)
ข้อ1. อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด อะตอมยังประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน เป็นต้น
ข้อ3-4 อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีคุณสมบัติทางกายภาพไม่เหมือนกัน กล่าวคือมีมวลไม่เท่ากัน ซึ่งจะได้กล่าวต่อไป
ในเรื่อง" ไอโซโทรป"
แบบจาลองอะตอมของทอมสัน
-ทอมสัน ค้นพบอิเล็กตรอน
-การทดลองของรอเบิร์ด แอนดรูส์ มิลลิแกน ได้ผลการทดลองว่า อิเล็กตรอนมีประจุไฟฟ้ าเท่ากับ1.60 x10 -19คูลอมบ์
และอิเล็กตรอนมีมวลเท่ากับ 9.11x 10-28กรัม
-โกลด์สไตน์ ค้นพบโปรตอน
จากผลการทดลองของทอมสัน โกลด์สไตน์ ทาให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้นเขาจึงเสนอแบบจาลองอะตอมว่
า
-อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม
-อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เล็กที่สุด แต่อะตอมจะประกอบด้วยอิเล็กตรอน และอนุภาคอื่นๆอีก
-อะตอมประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุเป็นลบ อนุภาคโปรตอนมีประจุเป็นบวก
-อะตอมจะมีโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่าเสมอ
-อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้ า เพราะมีจานวนประจุบวกเท่ากับประจุลบ
จากทฤษฎีอะตอมของทอมสัน แบบจาลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

3. ลักษณะแบบจาลองอะตอมของทอมสัน
แบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
อะตอมจะประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันอยู่อย่างหนาแน่นอยู่ตรงกลางนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากมีมวลมาก
และมีประจุบวกส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบและมีมวลน้อยมาก จะวิ่งรอบนิวเคลียสเป็นวงกว้าง
การค้นพบนิวตรอน เนื่องจากมวลของอะตอมส่วนใหญ่อยู่ที่นิวเคลียสซึ่งเป็นมวลของโปรตอนแต่โปรตอนมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของนิวเคลียสเท่านั้น แสดงว่าต้องมีอนุภ
าคซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้ าแต่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนอยู่ในอะตอมด้วยเจมส์ แชวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จึงศึกษาทดลองเพิ่มเติมจนพบนิวตรอนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้
า อะตอมของธาตุทุกชนิดในโลกจะมีนิวตรอนเสมอ ยกเว้นอะตอมของไฮโดรเจนในรูปของไอโซโทป
สรุปแบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนรวมกั นอยู่ตรงกลาง นิวเคลียสมีขนาดเล็ก แต่มีมวลมากและมีประจุเป็นบวก
ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบ และมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบนิวเคลียสเป็นบริเวณกว้าง
จากทฤษฎีอะตอมของ รัทเทอร์ฟอร์ด แบบจาลองอะตอมมีลักษณะดังรูป
ลักษณะแบบจาลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
แบบจาลองอะตอมของนีลส์โบร์
นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามศึกษาลักษณะของการจัดอิเล็กตรอนรอบๆ อะตอม โดยแบ่งการศึกษาออกเป็น 2 ส่วน ส่วนแรกเป็นการศึกษษเกี่ยวกับสเปกตรัมของอะตอม
ซึ่งทาให้ทราบว่าภายในอะตอมมีการจัดระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ในแต่ละชั้นจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาเกี่ยวกับพลังงานไอโอไนเซชัน
เพื่อดูว่าในแต่ละระดับพลังงานจะมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ได้กี่ตัว
สเปกตรัม หมายถึง อนุกรมของแถบสีหรือเส้นที่ได้จากการผ่านพลังงานรังสีเข้าไปในสเปกโตรสโคป ซึ่งทาให้พลังงานรังสีแยกออกเป็นแถบหรือเป็นเส้น
ที่มีความยาวคลื่นต่างๆเรียงลาดับกันไป
นีลส์โบร์ ได้เสนอแบบจาลองอะตอมขึ้นมา สรุปได้ดังนี้
1 . อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นชั้นๆ ตามระดับพลังงาน และแต่ละชั้นจะมีพลังงานเป็นค่าเฉพาะตัว
2. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกว่าระดับพลังงานต่าสุดยิ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น ระดับพลังงานจะยิ่งสูงขึ้น
3. อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะเรียกระดับพลังงาน n = 1 ระดับพลังงานถัดไปเรียกระดับพลังงาน n =2, n = 3,... ตามลาดับ หรือเรียกเป็นชั้น K
, L , M , N ,O , P , Q ....
จากทฤษฎีอะตอมของ นีลส์โบร์ แบบจาลองอะตอมมีลักษณะดังรูป

4. แบบจาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
เป็นแบบจาลองที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเป็นไปได้มากที่สุดทั้งนี้ได้จากการประมวลผลการทดลองและข้อมูลต่างๆ
อะตอมภายหลังจากที่นีลส์โบร์ ได้เสนอแบบจาลองอะตอมขึ้นมา อาจสรุปได้ดังนี้
1. อิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งรอบนิวเคลียสด้วยรัศมีที่แน่นอน บางครั้งเข้าใกล้บางครั้งออกห่าง
จึงไม่สามารถบอกตาแหน่งที่แน่นอนได้ แต่ถ้าบอกได้แต่เพียงที่พบอิเล็กตรอนตาแหน่งต่างๆภายในอะตอมและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมากจนเหมือนกับอิเล็กตรอนอยู่ทั่ว
ไป ในอะตอมลักษณะนี้เรียกว่า " กลุ่มหมอก"
2. กลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่างๆจะมีรูปทรงต่างกันขึ้นอยู่กับจานวนอิเล็กตรอน และระดับพลังงานอิเล็กตรอน
3. กลุ่มหมอกที่มีอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่าจะอยู่ใกล้นิวเคลียสส่วนอิเล็กตรอนที่มีระดับพลังงานสูงจะอยู่ไกลนิวเคลียส
4. อิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่ได้อยู่ในระดับพลังงานใดพลังงานหนึ่งคงที่
5. อะตอมมีอิเล็กตรอนหลายๆระดับพลังงาน
ลักษณะแบบจาลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
สรุปแบบจาลองอะตอม

5. อนุภาคมูลฐานของอะตอม
ชนิดของอนุภาคมูลฐานของอะตอม
ทุกอะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่สาคัญคือ โปรตอน, นิวตรอน และอิเล็กตรอน โดยมีโปรตอนกับนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียส
นิวเคลียสนี้จะครอบครองเนื้อที่ภายในอะตอมเพียงเล็กน้อย และมีอิเล็กตรอนวิ่งรอบๆ นิวเคลียสด้วยความเร็วสูง คล้ายกับมีกลุ่มประจุลบปกคลุมอยู่โดยรอบ
อนุภาค ประจุ (หน่วย) ประจุ (C) มวล(g) มวล(amu)
อิเล็กตรอน -1 1.6x 10-19 0.000549 9.1096 x10 -28
โปรตอน +1 1.6x 10-19 1.007277 1.6726 x10 -24
นิวตรอน 0 0 1.008665 1.6749 x10 -24
' อิเล็กตรอน (Electron) สัญลักษณ์ e - มีแระจุลบ และมีมวลน้อยมาก
' โปรตอน สัญลักษณ์ p + มีประจุเป็นบวก และมีมวลมากกว่า อิเล็กตรอน ( เกือบ 2,000 เท่า)
' นิวตรอน สัญลักษณ์ n มีประจุเป็นศูนย์ และมีมวลมากพอๆ กับโปรตอน
เลขอะตอม เลขมวล และสัญลักษณ์นิวเคลียร์

6. 1. จานวนโปรตอนในนิวเคลียสเรียกว่า เลขอะตอม (atomic number, Z)
2. ผลบวกของจานวนโปรตอนกับนิวตรอนเรียกว่า เลขมวล (mass number, A)
A = Z + N โดยที่ N เป็นจานวนนิวตรอน
( เลขเชิงมวลจะเป็นจานวนเต็มและมีค่าใกล้เคียงกับมวลของอะตอม)
การเขียนสัญลักษณ์นิวเคลียร์
เขียน (A) ไว้ข้างบนด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ
เขียน (Z) ไว้ข้างล่างด้านซ้ายของสัญลักษณ์ธาตุ
X = สัญลักษณ์ของธาตุ
ไอโซโทป ( Isotope ) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน มีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน
ไอโซบาร์ ( Isobar ) หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีเลขอะตอมไม่เท่ากัน
ไอโซโทน ( Isotone ) หมายถึง อะตอมของธาตุต่างชนิดกันแต่มีจานวนนิวตรอนเท่ากัน
การหาอนุภาคมูลฐานของอะตอมจากสัญลักษณ์นิวเคลียร์
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
หลักในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
1. อิเล็กตรอนที่วิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสนั้น จะอยู่กันเป็นชั้นๆตามระดับพลังงาน ระดับพลังงานที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด ( ชั้น K) จะมีพลังงานต่าที่สุด
และอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นถัดออกมาจะมีพลังงานสูงขึ้นๆ ตามลาดับ พลังงานของอิเล็กตรอนของระดับชั้นพลังงาน K < L < M < N < O < P < Q
หรือชั้นที่ 1< 2 < 3 < 4 < 5 < 6 < 7
2. ในแต่ละชั้นของระดับพลังงาน จะมีจานวนอิเล็กตรอนได้ ไม่เกิน 2n 2 เมื่อ n = เลขชั้น
ซึ่งเลขชั้นของชั้น K=1,L=2,M=3,N=4,O=5,P=6 และ Q=7
ตัวอย่าง จานวน e - ในระดับพลังงานชั้น K มีได้ ไม่เกิน 2n 2 = 2 x 1 2 = 2x1 = 2
จานวน e - ในระดับพลังงานชั้น N มีได้ ไม่เกิน 2n 2 = 2 x 4 2 = 2x16 = 32
ระดับพลังงาน จานวนอิเล็กตรอนที่มีได้มากที่สุด
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= 32(32 คือ เลขมากสุดที่เป็นไปได้)
n= 6 (P) 2(6) 2= 32

7. n= 7 (Q) 2(7) 2= 32
จะเห็นว่ากฎออกเตตมีข้อด้อย คือ เมื่อระดับพลังงานมากกว่า n= 4จะใช้ไม่ได้อย่างไรก็ตามในธาตุ 20 ธาตุแรก
สามารถใช้การจัดเรียงอิเล็กตรอนตามกฎออกเตตได้ดี
3. ในแต่ละระดับชั้นพลังงาน จะมีระดับพลังงานชั้นย่อยได้ไม่เกิน4ชั้นย่อยและมีชื่อเรียกชั้นย่อย ดังนี้ s , p, d , f
ในแต่ละชั้นย่อยจะมีจานวนe-ได้ ไม่เกิน ดังนี้
ระดับพลังงานชั้นย่อย s มี e- ได้ไม่เกิน2ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย pมี e-ได้ไม่เกิน6ตัวระดับพลังงานชั้นย่อย d มี e-
ได้ไม่เกิน10ตัว ระดับพลังงานชั้นย่อย fมี e -ได้ไม่เกิน14ตัว เขียนเป็นs2p6d 10f14
วิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
การจัดเรียงอิเล็กตรอน ให้จัดเรียงe-ในระดับพลังงานชั้นย่อยโดยจัดเรียงลาดับตามลูกศร ( แนวทางการจัดเรียงอิเล็กตรอน
ให้เขียนแผนผังก่อนดังรูป
จัดเรียงอิเล็กตรอนตามลูกศร ดังรูป
ตัวอย่าง จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ คัลเซียม ( Ca )
ธาตุ Ca มีเลขอะตอม = 20 แสดงว่ามี p = 20 และมี e- = 20 ตัว ( ดูเลขอะตอม จากตารางธาตุ)
แล้วจัดเรียง e- ดังนี้

8. ดังนั้น การจัดเรียง e-ของธาตุ Ca = 2, 8, 8, 2
มีแผนผังการจัดเรียง e-ดังนี้ Ca มีจานวนe-ในระดับพลังงานชั้นนอกสุด = 2ตัว
จานวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด เรียกว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence
electron) ดังนั้นCa มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 2 ดังรูป
อ้างอิง
http://www.nakhamwit.ac.th/pingpong_web/AtomStruct.htm
วิทยาศาสตรืพื้นฐาน
Comments