45

แผนบรหารการสอนประจ าบทท 4

หวขอเนอหาประจ าบท ทฤษฎอะตอม โครงสรางอะตอม การจดเรยงอเลกตรอน

วตถประสงคเชงพฤตกรรม เมอเรยนจบบทท 4 แลวใหนกศกษาสามารถ 1. ทราบถงววฒนาการอะตอมได 2. เขาใจเกยวกบเลขควอนตม 3. เขาใจการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม

วธสอนและกจกรรมการเรยนการสอนประจ าบท วธสอนและกจกรรมการเรยนการสอนประจ าบทท 4 มดงตอไปน

1. ศกษาเอกสารประกอบการสอนวชาเคม 1 บทท 4 2. ฟงบรรยายประกอบเอกสารการสอน รปภาพโมเดล และสออเลกทรอนกส 3. อภปรายและเปดโอกาสซกถาม 4. ฝกฝนทกษะโดยใหศกษาจากตวอยางในเอกสาร ก าหนดแบบฝกหดรายบคคลหรอราย

กลม และออกมาน าเสนอหนาชนเรยน 5. คนควาขอมลจากต ารา อนเทอรเนต และแหลงเรยนรอน ๆ ทเกยวของกบเนอหาทเรยน

ดวยตนเอง 6. มอบหมายงานใหท าแบบฝกหดทายบท

สอการเรยนการสอน สอการเรยนการสอนประจ าบทท 4 มดงตอไปน

1. เอกสารประกอบการสอนวชาเคม 1 2. สออเลกทรอนกส และเวบไซตตาง ๆ ทเกยวของ 3. โปรแกรมน าเสนอดวยคอมพวเตอร ประจ าบทท 4 และชดประกอบในการน าเสนอ

46

4. หนงสอ ต ารา หรอเอกสารทเกยวของ

การวดและประเมนผล การวดและประเมนผล บทท 4 มดงตอไปน

1. สงเกตจากการรวมกจกรรมของนกศกษา 2. ซกถามความเขาใจในชนเรยน 3. ตรวจแบบฝกหดทายบท 4. ท าแบบทดสอบตามทก าหนด

47

บทท 4 โครงสรางอะตอม

ถามองดวสดตาง ๆ แตละชนดรอบตวเรา จะพบวามความหลากหลายมาก เชน สสน ความ

แขงแรง น าไฟฟา มการละลาย การระเหด หรอการหลอมตว ซงการเกดขนนเกดจากอะตอมของธ า ต ทผสมผสานกนและท าใหเกดความหลากหลายขนมา แตอะตอมคออะไร และเลกทสดจรงหรอไมนนแนวคดนไดเรมขนในศตวรรษท 5 กอนครสตศกราช โดยเดโมครตส (Democritus) เสนอทฤษฎเกยวกบอะตอมวา อะตอมเปนสวนประกอบทเลกทสดของสาร ไมสามารถแบงแยกตอไปอกได สารตางชนดกนจะมสมบตตางกน เนองจากสารเหลานนประกอบดวยอะตอมทมลกษณะตางกน ตอมา อรสโตเตล (Aristotle) กลาววาเนอสารทกชนดจะตอเนองกนสามารถแบงแยกตอไปไดเรอย ๆ ไมมทสนสด สารทกชนดประกอบดวยอนภาคอยางเดยวกน จนมาถงสมยกลางเปนยคแอลเคม (Alchemy) (ค.ศ. 500 – 1,600) เชอวาสารตาง ๆ มองคประกอบทเหมอนกน ตางกนทสดสวนขององคประกอบ จงคดวานาจะเปลยนสารได ถาเปลยนองคประกอบใหมสดสวนเหมอนกน เกดมการเลนแรแปรธาตขนเพอเปลยนสารราคาถกเปนสารราคาแพง เชนตองการจะเปลยนตะกวใหเปนทอง และตนศตวรรษท 19 จอหน ดอลตน (John Dalton) เสนอทฤษฎอะตอม เรยกวา ทฤษฎอะตอมของ ดอลตน มใจความพอสรปไดดงน อะตอมมขนาดเลกมากแบงตอไปอกไมได อะตอมของธาตเดยวกนเหมอนกนและแตกตางจากอะตอมของธาตอน สารประกอบหนง ๆ ประกอบดวยอะตอมในอตราสวนทคงท

อยางไรกตามจากสมยเดโมครตสถงดอลตน เราไดแนวความคดเกยวกบอะตอมวา “อะตอม คอ องคประกอบของสารทแบงตอไปอกไมได” แตเมอถงปลายครสตวรรษท 19 ทฤษฎใหมของอะตอมจงเรมพฒนาขน เมอ เจ.เจ.ทอมสน (J.J. Thomson) คนพบอเลกตรอนในป 1897 การเสนอแบบจ าลองอะตอมทมนวเคลยสโดยรทเทอรฟอรด (Rutherford) ในป 1911 การน าทฤษฎควอนตม (Quantum) มาประยกตกบโครงสรางอะตอมโดยนลบอร (Niels Bohr) ในป 1913 ววฒนาการของทฤษฎกลศาสตรควอนตม ราวป 1924 การคนพบนวตรอนในป 1932 ดงแสดงในภาพท 4.1

48

ภาพท 4.1 แสดงววฒนาการอะตอมทมผใหค านยาม

ทฤษฎอะตอม

อะตอมมขนาดเลกมากจงไมมใครเคยเหนอะตอมมากอนปจจบนมการพฒนากลองจลทรรศนสนามไอออนก าลงขยายประมาณ 750,000 เทาถายภาพปลายเขมของธาตรเนยมซงเชอวาจดสขาวทเหนในภาพถายเปนอะตอมของธาตรเนยมแมวาจะถายภาพอะตอมไดแตไมสามารถบอกลกษณะรายละเอยดภายในอะตอมได การศกษาเรองราวเกยวกบอะตอมจงเปนการสนนษฐานโดยใชขอมลทไดจากการทดลองน ามาสรางเปนมโนภาพหรอแบบจ าลองทางวทยาศาสตรอาจเปนมโนภาพทบอกลกษณะของสงทไมสามารถมองเหนหรอเปนค าอธบายสงใดสงหนงกได ดงน นแบบจ าลองทสรางขนจงสามารถปรบปรงหรอเปลยนแปลงได

1. จอหนดอลตน (John Dalton) เสนอแนวคดเกยวกบอะตอมสรปไดวา

1. ธาตประกอบดวยอนภาคขนาดเลกเรยกวา “อะตอม” อะตอมแบงแยกไมไดและสรางขนหรอท าลายใหสญหายไปไมได

2. อะตอมของธาตชนดเดยวกนจะมมวลเทากนมสมบตเหมอนกนแตจะแตกตางจากอะตอมของธาตอนๆ

3. สารประกอบเกดจากอะตอมของธาตมากกวาหนงชนดท าปฏกรยาเคมกนในอตราสวนทเปนเลขลงตวนอย ๆ

2. เซอรโจเซฟ จอหน ทอมสน (J.J. Thomson)

จอหน ดาลตน เซอรโจเซฟ ลอรดเออรเนสต นลส

โบว ปจจบน

จอหน ทอมสน รทเทอรฟอรด

(แบบกลมหมอก)

พ.ศ. 2346 2447 2454 2466

2469

+ - + -

- + - +

+ - + -

+ +

++

49

สนใจปรากฏการณ ท เกดขนในหลอดรงสแคโทดโดยบรรจแกสชนดหนงไวในหลอดแกวซงตอไวกบเครองสบอากาศภายในหลอดมข วส าหรบตอกบเครองก าเนดไฟฟากระแสตรงศกยสงแอโนดมรตรงกลางและมฉากเรองแสงวางขวางหลอดพบวาเมอลดความดนในหลอดแกวใหต าลงมาก ๆ จนเกอบเปนสญญากาศจะมจดสวางเกดขนบนฉากเรองแสง ดงแสดงในภาพท 4.2

ภาพท 4.2 แสดงการทดลองโดยใชหลอดรงสแคโทดของทอมสน ทมา : สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. 2550 : 4.

รงสจากแคโทดประกอบดวยอนภาคทมประจไฟฟาลบเรยกวารงสแคโทดเมอเปลยนชนดของแกสหรอโลหะทใชเปนแคโทดผลการทดลองเหมอนเดมและเมอค านวณอตราสวนของประจตอมวลของอนภาคจะไดคาคงททกครง

e

m = 1.76 × 108 คลอมบตอกรม

ทอมสนสรปวาอะตอมทกชนดมอนภาคทมประจลบเปนองคประกอบเรยกวา “อเลกตรอน”

3. รทเทอรฟอรด (Rutherford) โดยท าการทดลองรวมกบฮนสไกเกอรและเออรเนสตมารสเดน การทดลองท าโดย

ทดลองยงอนภาคแอลฟา ( 𝐻𝑒24 ) มประจบวกซงไดจากการสลายตวของสารกมมนตรงสไปยงแผน

ทองค าบาง ๆ (0.00004 cm) ดงภาพท 4.3 ผลการทดลองพบวาทกครงทอนภาคแอลฟากระทบกบฉากเรองแสงซงฉาบดวยซงค

ซลไฟด (ZnS) จะเหนแสงแวบขนอนภาคสวนใหญวงเปนเสนตรงไปกระทบฉากทอยดานหลงนาน

แคโทด แอโนด ฉาก

เรองแสง

10,00

0 V

10

V เครองกาเนดไฟฟาศกยสง เครองกาเนดไฟฟาศกยตา

50

ๆ ครงจะเบนไปจากแนวเสนตรงและนอยครงมากทอนภาคจะสะทอนกลบมากระทบฉากบรเวณหนาแผนทองค า

ภาพท 4.3 แสดงการทดลองการยงอนภาคผานแผนทองค าของรทเทอรฟอรด ทมา : สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. 2550 : 8.

ผลการทดลองพบวาทกครงทอนภาคแอลฟากระทบกบฉากเรองแสงซงฉาบดวยซงคซลไฟด (ZnS) จะเหนแสงแวบขนอนภาคสวนใหญวงเปนเสนตรงไปกระทบฉากทอยดานหลงนาน ๆครงจะเบนไปจากแนวเสนตรงและนอยครงมากทอนภาคจะสะทอนกลบมากระทบฉากบรเวณหนาแผนทองค า

Rutherford เสนอแบบจ าลองอะตอมสรปวาอะตอมประกอบดวยนวเคลยสมโปรตอนรวมอยตรงกลางนวเคลยสมขนาดเลกเสนผานศนยกลาง 10-15 เมตร (10-5 A°) มมวลมากและมประจบวกมวลสวนใหญของอะตอมคอมวลของนวเคลยสสวนอเลกตรอนมประจลบและมมวลนอยวงอยรอบนวเคลยสเปนบรเวณกวางอะตอมมเสนผานศนยกลางประมาณ 10-10 เมตร (1 A°) จงมขนาดเปน 105 เทาของนวเคลยส

นอกจากน เซอรเจมสแชดวก (Sir James Chadwick) ท าการทดลองยงอนภาคแอลฟาไปยงธาตตาง ๆ พบวามอนภาคทเปนกลางทางไฟฟาอยในนวเคลยสเรยกวานวตรอน ดงนนจงสรปไดวามอนภาคเลก ๆ ประกอบกนขนเปนอะตอม ดงตารางท 4.1

ตารางท 4.1 แสดงอนภาคมลฐานของอะตอม

อนภาค มลฐาน

สญลกษณ มวล (kg) มวลเปรยบเทยบ กบอเลกตรอน

ประจไฟฟา (คลอมบ)

ชนดประจไฟฟา

โปรตอน นวตรอน อเลกตรอน

p n e

1.672 x 10-27 1.674 x 10-27

9.109 x 10-31

1836 1839

1

1.602 x 10-19 0

1.602 x 10-19

+1 0 -1

อนภาคแอลฟา (α-paticle)

แหลงก าเนด อนภาคแอลฟา (α-paticle source)

แผนทองค า

51

ทมา : สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. 2550 : 10. 4. นลส โบร (Niels Bohr)

สรางแบบจ าลองวาอเลกตรอนในอะตอมวงอยรอบนวเคลยสเปนชน ๆ หรอเปนระดบพลงงานมคาพลงงานเฉพาะคลาย ๆ กบวงโคจรของดาวเคราะหรอบดวงอาทตยซงแบบจ าลองนใชไดดกบอะตอมขนาดเลกทมอเลกตรอนเดยวเชนไฮโดรเจนเทานนและเรยกอเลกตรอนชนทอยใกลนวเคลยสทสดและมพลงงานต าทสดวาชน K และชนถดไปเปน L, M, N, ... ตามล าดบ

ทง 4 ทฤษฏอะตอม สรปเปนภาพของอะตอมเพอใหเขาใจววฒนาการไดดงน

ดอลตน ทอมสน รทเทอรฟอรด โบร

ภาพท 4.4 แสดงการเปรยบเทยบแบบจ าลองอะตอมแตละสมย

5. แบบจ าลองอะตอมแบบกลมหมอก เปนการใชความรทางกลศาสตรควอนตมสรางสมการเพอค านวณหาโอกาสทจะพบ

อเลกตรอนในระดบพลงงานตาง ๆ จงท าใหเกดมโนภาพของอะตอมแบบใหม เรยกวา แบบจ าลองอะตอมแบบกลมหมอก กลาวไววา การเคลอนทของอเลกตรอนไมมทศทางแนนอน บอกไดเพยงโอกาสทจะพบอเลกตรอนต าแหนงตาง ๆ เทานน โอกาสทจะพบอเลกตรอนในแตละระดบพลงงานไมเหมอนกน ขนกบจ านวนอเลกตรอนและระดบพลงงานของอเลกตรอนนน และ อเลกตรอนทมพลงงานต าอยในบรเวณใกลนวเคลยสมากกวาอเลกตรอนทมพลงงานสง

+ -

+ + +

+ + -

- - -

-

-

-

-

-

-

-

+ +

+ + +

+ +

K

L

M

52

ภาพท 4.5 แสดงโอกาสทจะพบอเลกตรอน

โครงสรางอะตอม

จากการศกษาววฒนาการอะตอมท าใหเราทราบถงโครงสรางอะตอม ทประกอบไปดวย โปรตอน นวตรอน และอเลกตรอน เปนอนภาคทเลกและเปนสวนประกอบของอะตอมและเนองจากวงโคจรของอเลกตรอนรอบนวเคลยสของอะตอมไฮโดรเจนมลกษณะใกลเคยงทรงกลมจงเขยนภาพแบบจ าลองโครงสรางของอะตอมไฮโดรเจนเรยกวาแบบจ าลองชนดโครงสรางลายเสน

ภาพท 4.6 ภาพแสดงอะตอมไฮโดรเจน น าหนกและประจในอะตอม

1. อนภาคมลฐานของอะตอม ประกอบดวย โปรตอน (p) นวตรอน (n) และอเลกตรอน (e) ซงเปนสวนประกอบอย

ภายในอะตอม อะตอมแตละตวแตกตางกนเพราะมจ านวนโปรตอน นวตรอนและอเลกตรอนทตางกน

2. เลขมวล เลขอะตอม และไอโซโทป 2.1 เลขอะตอม (Atomic number, Z) คอตวเลขทแสดงจ านวนโปรตอนในนวเคลยสเปน

ตวบงชสมบตเฉพาะตวของธาตนน ๆ 2.2 เลขมวล (Mass number, A) คอตวเลขทแสดงผลรวมของจ านวนโปรตอนและ

นวตรอนในนวเคลยส สญลกษณนวเคลยสเขยนเลขอะตอมไวมมลางซายและเลขมวลไวมมบนซายของ

สญลกษณของธาต 𝐶𝑑48112 หมายถง เลขอะตอม (A) = 48 เลขมวล (Z) = 112

จ านวนโปรตอน (p+) = จ านวนอเลกตรอน (e-) = 48 อนภาค จ านวนนวตรอน (n) = เลขมวล - เลขอะตอม = 112 - 48 = 64 อนภาค

p

+

e-

อเลกตรอ

น นวเคลยสม 1 โปรตอน

หนก 1.00794 g

53

การเขยนสญลกษณนวเคลยรอยางยอ เชน 112Cd

XZA เมอ A = เลขมวล Z = เลขอะตอม และ X = สญลกษณของธาต

2.3 ไอโซโทป (Isotope) คออะตอมของธาตชนดเดยวกน (X) แตมจ านวนนวตรอนในนวเคลยสทแตกตางกนยกตวอยางเชน ไอโซโทปของธาตไฮโดรเจน (ไอโซโทปของอะตอมธาตเดยวกนทมมวลแตกตางกนเนองจากจ านวนนวตรอนตางกน)

ตารางท 4.2 ไอโซโทปของธาตไฮโดรเจน

ไอโซโทป โปรตอน (p) อเลกตรอน (e) นวตรอน (n) นวเคลยส (p + n) ไฮโดรเจน-1

(Protium) 1 1 0 1+0

ไฮโดรเจน-2 (Deuterium)

1 1 1 1+1

ไฮโดรเจน-3 (Tritium)

1 1 2 1+2

ตวอยาง 4.1 การค านวณหาจ านวนโปรตรอน นวตรอน และอเลกตรอน

1. C614 มจ านวนโปรตอน นวตรอน และอเลกตรอนเทาไร

วธท า จ านวนโปรตอน = 6 = จ านวนอเลกตรอน จ านวนนวตรอน = เลขมวล – โปรตอน =14 – 6 = 8

ตวอยาง 4.2 𝐶611 มจ านวนโปรตอน นวตรอน และอเลกตรอนเทาไร

วธท า จ านวนโปรตอน = 6 = จ านวนอเลกตรอน จ านวนนวตรอน = เลขมวล – โปรตอน =11 – 6 = 5

ตวอยาง 4.3 C2−6

12 จ านวนโปรตอน นวตรอน และอเลกตรอนเทาไร

วธท า จ านวนโปรตอน = 6

54

จ านวนอเลกตรอน = 6 + 2 = 8 เพราะเปนไอออนลบ หมายถงความเปนประจลบมากกวาความเปนประจบวกอย 2

จ านวนนวตรอน = เลขมวล – โปรตอน =11 – 6 = 5

ตวอยาง 4.4 C+6

12 จ านวนโปรตอน นวตรอน และอเลกตรอนเทาไร

วธท า จ านวนโปรตอน = 6 จ านวนอเลกตรอน = 6 - 1 = 5 เพราะเปนไอออนบวก หมายถงความเปนประจลบนอยกวา

ความเปนประจบวกอย 1 จ านวนนวตรอน = เลขมวล – โปรตอน =11 – 6 = 5 นอกจากนยงมการเรยกไอโซโทปในกรณตาง ๆ กน ดงน 1. ไอโซโทป (Isotope) คอ p เทา n ไมเทา ยกตวอยาง 1H1 1H2 1H3 หรอ 6C12 6C13

6C14 2. ไอโซโทน (Isotone) คอ n เทา p ไมเทา ยกตวอยาง 11Na23 12Mg24 หรอ 19K39 20Ca40 3. ไอโซบาร (Isobar) คอ เลขมวล (p+n) เทา ยกตวอยาง 18Ar40 20Ca40 4. ไอโซอเลกโทรนก (Isoelectronic) คอ e เทา ยกตวอยาง 9F - หรอ 10Ne

การจดเรยงอเลกตรอน

ม 2 แบบการจดเรยง อนแรกไดมาจากความรในเรองสเปกตรมของนลสโบรและแบบทสอง คอเลขควอนตมในทฤษฎกลมหมอก

1. สเปกตรมของอะตอม (Atomic spectra) ถาใหแสงอาทตยผานสลท (Slit) แลวผานปรซมจะเกดแสงสบนฉากเรยกวา สเปกตรม

(Spectrum) สเปกตรมทไดประกอบดวยความยาวคลนทงหมดของ visible light เรยกสเปกตรมนวา สเปกตรมตอเนอง ถาแสงมแหลงก าเนดจากหลอดรงสแคโทดซงมแกสไฮโดรเจนอย สเปกตรมทไดจะปรากฏเปนเสน ๆ เรยกวาสเปกตรมเสน การทแกสไฮโดรเจนเปลงแสงออกมาไดเนองจากอเลกตรอนไดรบพลงงาน จะเปลยนจากสภาวะพน (Ground state) ไปยงสภาวะเรา (Excited state) เมออเลกตรอนกลบสสภาวะพนจะคายพลงงานสวนหนงออกมาในรปของแสง จะมความยาวคลนเพยงบางสวนเทานน จงปรากฏสเปกตรมชนดเสน ธาตอน ๆ กใหสเปกตรมเสนไดเชนกน แตชดความยาวคลนจะตางกนไปเปนลกษณะเฉพาะตวของธาตนน ๆ จงใชบอกวาธาตนนเปนธาตชนดใดได หรอใชบอกวาธาตนนเปนธาตใหมหรอไม

55

ก.

ข.

ภาพท 4.7 ก. แสดงสเปกตรมของแสงขาว (แสงอาทตย) และ ข. สเปกตรมแบบเสนของแกส ไฮโดรเจน ทมา : สมบต พทธจกร. 2555 : 49.

สเปกตรมการดดซบ

ไฮโดรเจน

สเปกตรมแบบเสนของแกส

ไฮโดรเจน

เสนแอลฟาไฮโดรเจน ท 656 nm ทรานซชน n=2 ถง n=3

56

ภาพท 4.8 แสดงแบบจ าลองอะตอมของโบร ทมา : สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. 2550 : 52.

จากความรเรองการเปลยนแปลงระดบพลงงานของอเลกตรอนการเกดสเปกตรม ชวยใหนลสโบร สรางแบบจ าลองอะตอมเพอใชอธบายพฤตกรรมของอเลกตรอนในอะตอมได โดยสรปวาอเลกตรอนจะเคลอนทรอบนวเคลยส แตละวงจะมระดบพลงงานเฉพาะตว ระดบพลงงานของอเลกตรอนทอยใกลนวเคลยสทสดซงมพลงงานต าทสดเรยกวาระดบ K และถดออกมาเรยกเปน L, M, N, … ตามล าดบ ตอมาไดมการใชตวเลขแสดงถงระดบพลงงานของอเลกตรอน คอ n = 1 หมายถงระดบพลงงานท 1 ซงอยใกลกบนวเคลยสทสด และชนถดมาเปน n = 2 หมายถงระดบพลงงานท 2 ตอจากน น n = 3, 4, . . . หมายถงระดบพลงงานท 3 , 4 และสงขนไปตามล าดบ”แตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนบรรจไดดงน

จ านวนอเลกตรอน = 2n2

การจดอเลกตรอนในอะตอม จากการศกษาแบบจ าลองอะตอมของโบร ท าใหทราบวา การจดอเลกตรอนในระดบพลงงานตาง ๆ ดงตารางท 4.3

จากตารางท 4.4 จะเหนวาการจดอเลกตรอนแบบของโบรนน นอกจากสามารถบอก เวเลนซอเลกตรอน ซงจะตรงกบเลขทของหม ยงสามารถบอกจ านวนระดบพลงงานซงจะตรงกบเลขทของคาบ นนคอ ธาตในคาบเดยวกนจะมจ านวนระดบพลงงานเทากน เชน 35Br มการจดเรยงอเลกตรอนดงน 2, 8, 18, 7 ดงนน Br จะอยในหมท 7 เพราะมเวเลนซอเลกตรอน 7 และอยในคาบท 4 เพราะมจ านวนระดบพลงงาน 4 โดยการจดเรยงจดอเลกตรอนแบบของโบรนนตองจดเรยงอเลกตรอนเขาในระดบพลงงานต าสดใหเตมกอน จงจดใหอยระดบพลงงานถดไป เวเลนซอเลกตรอนจะเกน 8 ไมได และจ านวนอเลกตรอนในระดบพลงงานถดเขาไปของธาตในหม IA IIA เทากบ 8 สวนหม IIIA - VIIIA เทากบ 18

57

ตารางท 4.3 แสดงการจดอเลกตรอนตามแบบของโบร

ระดบพลงงาน (n) จ านวนอเลกตรอนทมไดสงสด n = 1 2 n = 2 8 n = 3 18 n = 4 32 n = 5 50 n = 6 72 n = 7 98

ตารางท 4.4 ตวอยางการจดเรยงอเลกตรอน

ธาต จ านวนอเลกตรอน การจดเรยง หม คาบ H 1 1 หม 1 คาบ 1 He 2 2 หม 2 คาบ 1 C 6 2 4 หม 4 คาบ 2

Ne 10 2 8 หม 8 คาบ 8 O 16 2 8 6 หม 6 คาบ 3 Ca 20 2 8 8 2 หม 2 คาบ 4

แตเนองจากแบบจ าลองอะตอมของโบร พฒนามาจากการคนพบสเปกตรมของอะตอมไฮโดรเจน ซงเปนอะตอมทม 1 อเลกตรอน จงไมสามารถใชอธบายอะตอมทมหลายอเลกตรอนได นกวทยาศาสตรจงจ าเปนตองศกษาคนควาเพมเตมเพอเสนอแบบจ าลองอะตอมใหมจงได ทฤษฎกลมหมอก

2. ทฤษฎกลมหมอกหรอเลขควอนตม (Quantum number) เปนชดตวเลขทไดจากการแก wave equation ของชเรอดงเจอร ใชอธบายเกยวกบพลงงาน

และการกระจายของอเลกตรอนรอบอะตอม มทงหมด 4 ชนด 2.1 Principal quantum number แทนดวย n เปนตวเลขจ านวนเตมบวกดงน n = 1, 2, 3 ..

ตามทฤษฎมไดถง infinity แตเทาททราบในปจจบนมสงสดเพยง 7 เลขควอนตมชนดนบอกถง main energy level ของอเลกตรอน เมอ n = 1 อเลกตรอนจะอยใน state ทมพลงงานต าสด ยง n มคาสง

58

อเลกตรอนใน level น น ๆ ยงมพลงงานสงขนดวย ระดบพลงงานตาง ๆ นบางทเรยกวา shell สมยกอนใหชอเปน K, L, M, N, O, P, Q

2.2 Orbital quantum number แทนดวย l จะบอกรปลกษณะ (Shape) ของ electron cloud รอบ ๆ นวเคลยส เปนตนวา l = 0 ไมวาจะอยใน shell ใด electron cloud จะมลกษณะเปนวงกลม l = 1 electron cloud จะเปนรปลกตมน าหนก (dumbbell shape) l = 2 มลกษณะคลายปลายหอกสอนเสยบทนวเคลยส ส าหรบคาทสงขนลกษณะของหมอกอเลกตรอนยงสบสน แตละ Principal quantum number (n) orbital quantum number (l) มคาไดจาก 0 ถง n-1 เชน เมอ n = 1 l มคาไดคาเดยวคอ 0 เมอ n = 2 l มได 2 คา คอ 0 และ 1 จะเหนวา energy sublevels แตละ main energy level มจ านวนเทากบตวเลขทเปนคา Principal quantum number และ คา l ปจจบนนยมใชตวอกษรแทนคอ 0 = s, 1 = p, 2 = d และ 3 = f แตละ shell ยอยประกอบดวยออรบทล shell ยอย s มเพยง 1 ออรบทล เรยก s orbital shell ยอย p ม 3 ออรบทล เรยก p orbital ดงแสดงในภาพท 4.9

จากภาพท 4.9 จะเหนวารปทรงตาง ๆ ของกลมหมอกอเลกตรอน จะขนอยกบระดบพลงงานของอเลกตรอน การใชทฤษฎควอนตม จะสามารถอธบายการจดเรยงตวของอเลกตรอนรอบนวเคลยส ไดวาอเลกตรอนจดเรยงตวเปนออรบทล (Orbital) ในระดบพลงงานยอย s, p, d, f แตละออรบทล จะบรรจอเลกตรอนเปนค ดงน

s ออรบทล มจ านวน 1 ออรบทล หรออเลกตรอนสงสด 2 อเลกตรอน p ออรบทล มจ านวน 3 ออรบทล หรออเลกตรอนสงสด 6 อเลกตรอน d ออรบทล มจ านวน 5 ออรบทล หรออเลกตรอนสงสด 10 อเลกตรอน f ออรบทล มจ านวน 7 ออรบทล หรออเลกตรอนสงสด 14 อเลกตรอน

2.3 Magnetic quantum number แทนดวย m แตละ subshell จะมออรบทล 1 ออรบทล หรอมากกวา จ านวนออรบทลระบไดดวยเลขควอนตม m คาของ m เปนเลขจ านวนเตม มคาตงแต -1 ถง +1 เมอ l = 0 m จะเทากบ 0 (subshell s ม s orbital) l = 1 (subshell p) มคา = -1, 0, +1 ม 3 ออรบทลl = 2 (subshell d) m มคา = -2, -1, 0, +1, +2 ม 5 ออรบทล

คา m ระบทศทาง (orientation) ของกลมหมอกอเลกตรอน โดยทศทางจะสมพนธกบรปรางซงก าหนดโดยคา l เมอ l = 0, m = 0 แสดงวาทศทาง 1 ทศทาง เมอ l = 1, m = -1, 0, +1 subshell ม 3 ทศทาง l = 2 ม 5 ทศทาง

59

1s ออรบทล 2s ออรบทล

px ออรบทล py ออรบทล pz ออรบทล

dx2-y2 ออรบทล dz2 ออรบทล dxy ออรบทล

dyz ออรบทล dxz ออรบทล

ภาพท 4.9 แสดงรปทรงจ าลองตาง ๆ ของกลมหมอกอเลกตรอน ทมา : สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. 2537 : 53.

2.4 Spin quantum number นอกจากเลขควอนตม n, l, m ซงไดมาโดยตรงจากการแกสมการชเรอดงเจอร ยงมเลขควอนตมอกอยางหนงมากจากการพจารณาอยางอน คอ spin quantum number แทนดวย s แตละคาของ m จะม s สองคา คอ +1/2 และ -1/2 ซงบอกถงทศทางการหมนของอเลกตรอนรอบแกนของมน โดยตวหนงจะหมนซาย อกตวหนงจะหมนขวา

การจดเรยงอเลกตรอนตามหลกของทฤษฎกลมหมอกนน อาศยการจดเรยงตาม “หลกกด

กนของเพาล (Pauli exclusion principle)” นนคอ อเลกตรอนหนง ๆ ของอะตอมสามารถระบดวยเลขควอนตม 1 ชม ประกอบดวย 4 คา จากหลกกดกนของเพาล ทวา “จะไมมอเลกตรอน 2 ตว ของอะตอมเดยวกนทมคาควอนตมทงสอยางเดยวกน” นนคอออรบทลหนงจะมอเลกตรอนเกน 2 ตว

60

ไมได โดยการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม (Electronic configurations) พลงงานของอเลกตรอนถกจ ากดดวย Principal quantum number, nsublevel ภายใน n เดยวกนยงมความแตกตางของพลงงานอก ซงจะเพมขนตามคา l เชน n = 4 จะม sublevel เปน s, p, d, f พลงงานจะเพมขนดงน s p d f ถาคา l อยางเดยวกนตางกนท nsublevelทมคา n สงจะมพลงงานสงกวา เชน 3s > 2s

จากการศกษาระดบพลงงานในไฮโดรเจน ถา n นอย ๆ ระดบพลงงานจะหางกนมาก แตจะถขนเมอ n สงขน เพราะฉะนนส าหรบอะตอมทมหลายอเลกตรอนระดบพลงงานอาจสบกนไดบ า ง ดงภาพ

ภาพท 4.10 แสดงจากจดเรยงอเลกตรอนตามหลกกดกนของเพาล ทมา : มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล. ออนไลน. 2550.

จากภาพ ท 4 .10 สามารถจด เรยงอ เล กตรอน เขา ส ระดบพลงงานยอย ไดดง น 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s ตามหลกของเพาล จากนนบรรจอเลกตรอนเขาออรบทลตาง ๆ จะเขาตามล าดบพลงงานจากต าไปสง ถาออรบทลมพลงงานเทากนมากกวา 1 ออรบทล การบรรจอเลกตรอนจะอาศยกฎของฮนด (Hund’s rule) ซงกลาววา “การบรรจอเลกตรอนในออรบทลทมพลงงานเทากน (degenerate orbitals) จะบรรจในลกษณะทท าใหมอเลกตรอนเดยวมากทสด” และระดบพลงงานทเปน degenerate orbitals ถามอเลกตรอนอยเตมเรยกการเรยงตวแบบนวา filled configuration ถาทกออรบทลมอเลกตรอนเพยงครงเดยว (1 ตว) เหมอนกนหมดเรยกวา half-filled configuration อะตอมทมการจดเรยงแบบ filled จะเสถยรทสด half-filled จะเสถยรนอยกวาแบบอนเสถยรนอยทสด

61

ตวอยางการจดเรยง Electron configuration เชน 17Cl มการจดเรยงอเลกตรอนในระดบพลงงานยอย คอ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

21Se มการจดเรยงอเลกตรอนในระดบพลงงานยอย คอ 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 และ 3d1 หรอแสดงการบรรจอเลกตรอนในออรบทล ไดดงน

ตารางท 4.5 แสดงการบรรจอเลกตรอนในออรบทล และในระดบพลงงานยอย

ทมา : สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. 2537 : 36.

จาก configuration ใน 30 ธาตแรก มทผดปกตอยทธาต Cr และ Cu ธาตท งสองนเปน half-filled(d5) และ filled(d10)d sublevel ซงม stability เพยงพอทท าใหอเลกตรอนเพยง 1 ตว ใน 4s มเสถยรภาพได

62

สรป

ทฤษฎอะตอมไดมผน าใหแนวคดตงแตศตวรรษท 5 กอนครสตศกราช เรอยมาจนปจจบนไมวาจะเปนดอลตน ทอมสน รทเทอรฟอรด โบร และแบบจ าลองอะตอมแบบกลมหมอก ซงแตละแนวคดท าใหพบโครงสรางอะตอม ซงประกอบดวย อนภาคมลฐานของอะตอม เลขมวล เลขอะตอม ไอโซโทป รวมถงการจดเรยงอเลกตรอน ทงแบบสเปกตรมของอะตอม หรอแบบทฤษฎกลมหมอกโดยใชหลกเลขควอนตม ในการจดเรยงอเลกตรอนตามระดบพลงงานยอยในออรบทล s p d และ f

แบบฝกหดทายบทท 4

1. จงบอกชอผทใหความหมายเกยวกบอะตอม และวธการทดลองของแตละทาน มาพอสงเขป 2. จงกลาวถงทฤษฎของโบร และปญหาทท าใหทฤษฎนใชไมได 3. ใหบอกคาของ l และ ml ตาง ๆ ทเปนไปได ส าหรบอเลกตรอนทมเลขควอนตมหลก n = 5 4. ออรบตอล 1s และ 2s แตกตางกนอยางไร 5. เราอาจใหอเลกตรอนไดมากทสดกอเลกตรอนในออรบตอลประเภทตาง ๆ ตอไปน s, p, d, f 6. จงจดเรยงอเลกตรอนตามแบบของโบร และอเลกตรอนคอนฟกเรชนตามแบบกลมหมอก พรอมบอกหม คาบ ความเปนแมเหลกไฟฟา ของธาตตอไปน

ก. 7N14 ค. 11Na23 ข. 10Ne20 ง. 20Ca40

7. การจดอเลกตรอนแบบตาง ๆ ตอไปน ขอใดผด พรอมใหเหตผลประกอบ ก. 1s2 2s1 ค. 1s2 3s

ข. 1s1 ง. 1s2 2s2 2p8 3s

เอกสารอางอง

ทบวงมหาวทยาลย . (2536). เคม 1 . เล ม ท 1 . พ มพค รง ท 7 . บ รษทอกษรเจ รญทศ น : กรงเทพมหานคร.

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล. ภาควชาฟสกส. (2550). การจดเรยงอเลกตรอนในระดบพลงงานย อ ย . [อ อ น ไ ล น ]. แ ห ล ง ท ม า http://www.atom.rmutphysics.com/charud/oldnews/ 0/286/2/4/atom/Elag6.htm [9 พฤษภาคม 2558].

63

บวแกว รตนกมท. (2549). โครงสรางอะตอม. โครงการแบรนดซมเมอรแคมป 2006 วทยาศาสตร (เคม). มปพ : กรงเทพมหานคร.

สทศน ไตรสถตวร และ สมศกด วรมงคลชย. (2550) เคม. ม.4 เลม 1. บรษทไทเนรมตกจอนเตอรโปรเกรสซฟจ ากด : นนทบร.

สมบต พทธจกร. (2555). ทศนศาสตรเชงฟลกสและการประยกต. โรงพมพมหาวทยาลยสงขลา นครนทร วทยาเขตปตตาน : ปตตาน.