ใบความรท 1 แบบจาลองอะตอมของดอลตน และ แบบจาลองอะตอมของทอมสน

******************************************************** ครศกดอนนต อนนตสข อะตอม มาจากภาษากรกวา “atomos” ซงแปลวา “แบงแยกอกไมได” หมายความวา อะตอม คอ หนวยยอยทเลกทสดซงไมสามารถแบงใหเลกลงไปไดอก แนวความคดดงกลาวนไดจากนกปราชญชาวกรก ชอ ดโมครตส (Demokritos) เนองจากอะตอมมขนาดเลกมากจงยงไมเคยมใครมองเหนดวยตาเปลา แมแตใชกลองจลทรรศนอเลกตรอน กยงไมสามารถมองเหนอะตอมได จนในปจจบนไดมการพฒนากลองจลทรรศนสนามไอออนทมกาลงขยายสงถง 750,000 เทาจงสามารถถายภาพปลายเขมของธาตรเนยม (Rhenium) ซงเชอกนวาเปนภาพของอะตอมได แมวาจะถายภาพทเชอวาเปนอะตอมได แตจากภาพถายดงกลาวกยงไมสามารถบอกรายละเอยดภายในอะตอมได การทอะตอมมขนาดเลกมากจนไมสามารถมองเหนได การศกษาเกยวกบอะตอมจงใชวธการสนนษฐาน โดยใชขอมลตาง ๆ ทไดจากการทดลอง นามาสรางมโนภาพหรอแบบจาลองของอะตอมขนมา แบบจานองอะตอมมหลายแบบ แตละแบบไดถกกาหนดขนมาโดยอาศยการทดลองเปนหลก ในขนแรกมขอมลเกยวกบอะตอมจานวนนอย ลกษณะของแบบจาลองอะตอมกเปนอยางหนง เมอมขอมลเพมขนจนแบบจาลองนนไมสามารถอธบายขอมลทไดจากการศกษาใหม ๆ กจาเปนตองมการแกไขแบบจาลองอะตอม ดงนนแบบจาลองอะตอมจงไดมการพฒนาและเปลยนแปลงไปไดเรอย ๆ แมกระทงในปจจบน

แบบจาลอง คอ มโนภาพทสรางขนโดยอาศยขอมลทไดจากการทดลอง แบบจาลองทางวทยาศาสตร เปนมโนภาพทนกวทยาศาสตรสรางขน เพอบอกลกษณะของสงทมองไมเหน เชน อะตอม นอกจากนแบบจาลองยงใชเปนคาอธบายสงหนงสงใดกได แบบจาลองสามารถเปลยนแปลงไดเมอขอมลจากการทดลองเปลยนแปลงไป

แบบจาลองอะตอมของดอลตน นกวทยาศาสตรทเสนอแบบจาลองเปนคนแรก คอ จอหน ดอลตน (Jhon Dalton) โดยเสนอความคดเหนเกยวกบอะตอมไวในป พ.ศ. 2346 ซงมขอความทสาคญสรปไดดงน 1. สารแตละชนดประกอบดวยอนภาคเลก ๆ เรยกวาอะตอม ซงแบงแยกไมได 2. อะตอมจะทาใหเกดใหมหรอสญหายไปไมได

3. อะตอมของธาตชนดเดยวกนมสมบตเหมอนกนและแตกตางจากอะตอมของธาตอน 4.สารประกอบเกดจากการรวมตวกนของอะตอมของธาตตางชนดกนดวยอตราสวนของจานวนอะตอมคงทเปนเลขลงตวนอย ๆ 5.โมเลกลของสารประกอบชนดเดยวกนยอยมสมบตเหมอนกน และ แตกตางจากโมเลกลของสารประกอบอน ๆ จากแนวคดของดอลตนทวา อะตอมเปนหนวยทเลกทสดซงแบงแยกไมได ทาใหไดแบบจาลองอะตอมของดอลตน เปน “ทรงกลมทมขนาดเลกทสด ซงแบงแยกไมได” แบบจาลองอะตอมของดอลตนใชอธบายเกยวกบกฏทรงมวลสารสมพนธได จงเปนทยอมรบกนในสมยนน และทาใหนกวทยาศาสตรเรมหนมาสนใจศกษาเกยวกบอะตอมมากขน ตอมาเมอการศกษาไดพฒนามากขน พบขอมลเกยวกบอะตอมมากขน ขอมลใหม ๆ เหลานบางประการกไมสอดคลองกบแนวความคดของดอลตน เชน พบวาอะตอมไมใชหนวยทเลกทสด อะตอมยงสมารถมอนภาคยอย ๆ ลงไปไดอกก อะตอมของธาตชนดเดยวกนกอาจไมจาเปนตองมสมบตตาง ๆ เหมอนกนทกประการ เชน มมวลตางกนได (คอไอโซโทป ซงจะไดกลาวในรายละเอยดตอไป ) นอกจากนขอมลบางเรองกไมสามารถอธบายไดโดยแนวความคดของดอลตน เชน ปรากฏการณทเกดขนในหลอดรงสแคโทด นกวทยาศาสตรคนตอ ๆ มาจงไดพยายามเสนอแบบจาลองอะตอมชนดใหม

แบบจาลองอะตอมของทอมสน ปจจบนทราบวาไฟฟาม 2 ชนด คอ ไฟฟาสถต กบไฟฟากระแส ก. ไฟฟาสถต หมายถง อานาจไฟฟาทเกดขนเฉพาะแหง เนองจากประจไฟฟาไมเคลอนทในวตถชนดนน ๆ เชน เมอถแทงพลาสตกดวยผาสกหลาด แทงพลาสตกบรเวณทมการถจะแสดงอานาจไฟฟาได การทเปนเชนนเนองจากขณะทนาพลาสตกไปถผาสกหลาด จะทาใหประจไฟฟาทอยในพลาสตกแยกออกจากกน และแสดงอานาจไฟฟาบวกหรอลบ แลวแตวาบรเวณนนจะมประจชนดใดมากกวากน อานาจไฟฟาจงเกดขนบรเวณทถ จากความรเรองไฟฟาสถต ทาใหนกวทยาศาสตรเชอวาสารตาง ๆ จะมประจไฟฟา 2 ชนด คอประจไฟฟาบวกและประจไฟฟาลบ การทวตถไมแสดงอานาจไฟฟาหรอเปนกลางทางไฟฟานนเปนเพราะวามปรมาณของประจบวกและลบเทากน เมอนามาเชอมโยงกบอะตอมทาใหเชอกนวาอะตอมกควรจะมประจเชนเดยวกน อะตอมทเปนกลางจะมประจบวกและลบเทากน ดงนนอะตอมจงไมควรจะเปนหนวยทเลกทสด ข. ไฟฟากระแส หมายถง อานาจไฟฟาทเกดจากการเคลอนทของประจไฟฟาผานตวกลาง ตวกลางทยอมใหประจไฟฟาเคลอนทผานเรยกวา ตวนา เชน โลหะตาง ๆ สวนตวกลางทไมยอมใหประจไฟฟาผานเรยกวา ฉนวน

การนาไฟฟาของสารละลาย สารทเปนตวนา หรอ ฉนวนไฟฟาไมจาเปนตองเปนของแขงเสมอไป อาจจะเปนของเหลวหรอสารละลายกได ในกรณทเปนสารละลาย ถาเปนสารละลายทนาไฟฟาไดเรยกวา “สารละลายอเลกโทรไลต(Electrolytic solution)” เชน สารละลายกรดเกลอ ถานาไฟฟาไดมากเรยกวา สารละลายอเลกโทรไลตแก เชน สารละลายโซเดยมคลอไรด ถานาไฟฟาไดนอยเรยกวา สารละลายอเลกโทรไลตออน เชน สารละลายกรดอะซตก ถาเปนสารละลายทไมนาไฟฟาเรยกวา “สารละลายนอนอเลกโทรไลต (Non-electrolytic solution)” เชน สารละลายกลโคส ของแขงนาไฟฟาไดเพราะมประจเคลอนทในตวนาทเปนของแขงนน แตสาหรบสารละลายอเลกโทรไลต นาไฟฟาได เพราะในสารละลายมไอออนซงมประจไฟฟาเรยกวา ไอออนบวก และไอออนลบ กลาวคอ เมอสารละลายในนาจะมการแตกตวออกเปนสองสวน และมประจตรงกนขามกน แตละสวนเรยกวา ไอออน ไอออนสวนหนงจะมประจไฟฟาบวก เรยกวา ไอออนบวก ไอออนอกสวนหนงจะมประจไฟฟาลบเรยกวา ไอออนลบ (มปรมาณเทากบไอออนบวก) เมออยในสนามไฟฟา ไอออนบวกจะเคลอนทเขาหาขวไฟฟาลบ และไอออนลบจะเคลอนทเขาหาขวไฟฟาบวก ไอออนบวกทเคลอนทเขาหาขวไฟฟาลบจะไปรบประจลบหรออเลกตรอน สวนไอออนลบทเคลอนทเขาหาขวไฟฟาบวกจะเปนตวพาประจลบไปใหขวไฟฟา ไหลวนเวยนกนอยในสารละลาย จงกอใหเกดการนาไฟฟาขน

การนาไฟฟาของกาซ ทความดนปกตกาซจะไมนาไฟฟา แมวาจะเพมความตางศกยระหวางขวไฟฟาใหมากขน แสดงวากาซเปนฉนวนไฟฟา ความตางศกยทใชตามบานคอ 220 โวลต กาซจะไมนาไฟฟา แตในบางโอกาสจะพบวากาซสามารถนาไฟฟาได เชน การเกดฟาแลบ หรอฟาผาในขณะทมพายฝนฟาคะนอง จากการศกษาการนาไฟฟาของกาซพบวา กาซจะนาไฟฟาไดดขนถาความดนของกาซตาลง และความตางศกยระหวางขวไฟฟามากขน

หลอดรงสแคโทด หลอดรงสแคโทด เปนเครองมอทใชทดลองเกยวกบการนาไฟฟา ประกอบดวยเครองกาเนดไฟฟากระแสตรง ศกยสง และหลอดแกวบรรจกาซซงมความดนตา ปลายขางหนงของหลอดแกวจะมขวไฟฟาแอโนด อกปลายหนงจะเปนขวแคโทด เมอตอไฟฟาใหครบวงจรดงรป จะสามารถตรวจสอบการไหลของไฟฟา รวมทงสามารถศกษาการเปลยนแปลงในหลอดรงสแคโทดไดโดยการใชฉากเรองแสง

เดมวลเลยม ครกส (William Crookes) ไดสรางหลอดรงสแคโทดขนมาโดยใชแผนโลหะ 2 แผน เปนขวไฟฟา หลงจากตอขวไฟฟาทงสองเขากบเครองกาเนดไฟฟา โดยใหขวไฟฟาทตอกบขวลบของเครองกาเนดไฟฟาเปนขวลบเรยก แคโทด และขวบวกตอกบขวบวกของเครองกาเนดไฟฟาเรยกวา แอโนด เมอใชความตางศกยระหวางขวไฟฟานอย ๆ จะพบวามการนาไฟฟานอยมาก เมอสบเอากาซในหลอดรงสออกจนเกอบหมดและใชความตางศกยระหวางขวประมาณ 10,000 โวลต จะพบวามการนาไฟฟาไดดยงขน และมแสงสเขยวพงออกมาจากแคโทด จงไดเรยกรงสแคโทด รงสนสามารถทาให ZnS เกดการเรองแสงได โดยทว ๆ ไป พบวารงสแคโทดจะเดนทางเปนเสนตรงจากขวแคโทดไปยงแอโนด และรงสนสามารถเบยงเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟาได ปรากฏการณทเกดขนในหลอดรงสแคโทดทาให เซอรโจเซฟ จอหน ทอมสน (Sir Loseph John Thomson) สนใจมาก และไดทาการทดลองเกยวกบการนาไฟฟาของกาซในหลอดรงสแคโทดเพมเตมอกจานวนมาก นอกจากนยงมนกวทยาศาสตรอน ๆ ทสนใจเกยวกบเรองน เชน ยจน โกลดสไตน (Eugene Goldstein) และวลเฮลม วน (Wilhelm Wein) เปนตน ทอมสนไดทดลองเกยวกบหลอดรงสแคโทดเพมเตมอกจานวนมาก โดยดดแปลงลกษณะของหลอดรงสแคโทดจากเดมเลกนอย เชนมการเตมฉากเรองแสงไวในหลอดรงสดวย ดงในรป และทอมสนไดนาผลการทดลองในลกษณะตาง ๆ มาสรปเกยวกบแบบจาลองอะตอม โดยทาเปนขน ๆ ดงน 1. บรรจกาซชนดหนงในหลอดรงสแคโทดทภายในมขวไฟฟาแอโนด และแคโทดตออยกบเครองกาเนดไฟฟากระแสตรง ศกยสง ทขวแอโนดเจาะรเลก ๆ ตรงกลาง และปลายดานหนงของหลอดรงสมฉากเรองแสง ก. ทาดวย ZnS วางไว นาหลอดรงสนตอเขากบเครองสบสญญากาศ

ในตอนแรกความดนในหลอดแกวมมาก จะยงไมเหนการเปลยนแปลงใด ๆ ทฉากเรองแสง แมวาจะใชศกยไฟฟาสง ๆ ตอเมอลดความดนในหลอดแกวใหต าลงมาก ๆ จนเกอบเปนสญญากาศ จะพบวามจดเรองแสง หรอมจดสวางบนฉากเรองแสง ก.

เนองจาก ZnS มสมบตพเศษทวา ถาอนภาคมประจมากระทบจะทาใหเกดการเรองแสงขน ดงนนจากผลการทดลองทาใหทอมสนตงสมมตฐานวา จะตองมรงสชนดหนงซงมประจไฟฟาพงเปนเสนตรงจากขวแคโทดมายงฉากเรองแสง ก. ซงรงสนอาจจะเกดจากกาซทมอยในหลอดแกวนน หรออาจจะเกดจากโลหะททาขวไฟฟากได ซงทอมสนยงไมทราบ รวมทงยงไมทราบวารงสทพงออกมานนมประจเปนอยางไร ดงนนจงไดทดลองตออก อยางไรกตามเมอถงขนนทอมสนไดคาดวาอะตอมคงจะไมใชเปนทรงกลมตนดงแบบจาลองของดอลตนแน แตจะตองมอนภาคเลก ๆ ทมประจเปนองคประกอบดวย

2. เพอทดสอบสมมตฐานทวาอะตอมประกอบดวยอนภาคทมประจ และตองการจะทราบวาประจไฟฟาทมากระทบฉากเรองแสง ก. เปนประจบวกหรอลบ ทอมสนจงไดทดลองตอไปโดยใชสนามไฟฟาเขาชวย โดยยดหลกทวา อนภาคทมประจจะตองเกดการเบยงเบนในสนามไฟฟา ถาอนภาคนนมประจบวกจะเบยงเบนเขาหาขวลบของสนามไฟฟา และถามประจลบจะเบยงเบนเขาหาขวบวก ทงนศกษาการเบยงเบนไดจากฉากเรองแสง

เมอเพมขวไฟฟาเขาไปอก 2 ขว โดยใหขวไฟฟาทงสอง มสนามไฟฟาตงฉากกบทศทางของรงสดงในรป จากการทดลองพบวาจดสวางบนฉากเรองแสง ก. เบนไปจากตาแหนงเดม คอ เบยงเบนขนสดานบน ซงถาลากเสนจากขวไฟฟาจะเหนวารงสนนเบยงเบนเขาหาขวบวกของสนามไฟฟา แสดงวารงสนนจะตองประกอบดวยอนภาคทมประจจงเกดการเบยงเบนขน และการทเบยงเบนเขาหาขวบวกแสดงวา รงสนนจะตองประกอบดวยอนภาคทมประจลบ เนองจากรงสนเคลอนทออกมาจากขวแคโทดซงเปนขวลบ จงเรยกรงสนวา รงสแคโทด และเรยกหลอดแกวทใชในการทดลองวา หลอดรงสแคโทด

เมอทดลองถงขนน ทาใหทอมสน ตงสมมตฐานขนวาอะตอมประกอบดวยอนภาคเลกๆ ทสวนหนงมประจลบ แตยงไมทราบวาอนภาคทมประจลบเหลานเกดจากกาซในหลอดรงสหรอเกดจากขวไฟฟา และไมทราบวารงสแคโทดนจะเหมอนกนหรอไม จะประกอบดวยอนภาคชนดเดยวกนหรอไม ถาใชกาซตางชนดกนจะมลกษณะเหมอนหรอตางกนอยางไร 3. ทอมสนศกษาสมบตขงรงสแคโทดตอไป โดยหาอตราสวนระหวางประจตอมวลของรงสนน ทงนอาศยหลกทวานอกจากรงสแคโทดจะเบยงเบนไดในสนามไฟฟาแลว ยงสามารถเบยงเบนไดในสนามแมเหลกดวย ในตอนแรกทอมสนไดทดลองเปลยนกาซชนดตาง ๆ ในหลอดรงสแคโทดแลวทดลองในทานองเดยวกน ปรากฏผลการทดลองไดผลเหมอนเดม และเมอลองเปลยนชนดของขวไฟฟาทใชทาแคโทดกยงคงพบวาไดผลการทดลองเหมอนเดม คอจะมรงสทประกอบดวยอนภาคทมประจลบพงมาทฉากเรองแสง ก. และรงสเกดการเบยงเบนเขาหาขวบวกของสนามไฟฟา จงทาใหไมสามารถจะพสจนวาอนภาคทมประจลบนนเปนอนภาคชนดเดยวกนหรอไม ดงนนทอมสนจงไดทาการทดลองตอโดยนาหลอดรงสวางไวในสนามแมเหลก ทงนในทศทางของสนามแมเหลกตงฉากกบสนามไฟฟาดงรป ในชวงแรกทใสสนามแมเหลกเขาไป จดสวางบนฉากเรองแสง ก. จะเบยงเบนขนดานบน เมอใสสนามแมเหลกเขาไป และเพมอานาจสนามแมเหลกทละนอยจะพบวาจดสวางบนฉากเรองแสง ก. คอย ๆ มการเบยงเบนนอยลง คอ จดเรองแสงคอย ๆ กลบมาสตาแหนงเดมของตอนทไมมสนามไฟฟา แสดงวาในขณะนความแรงของสนามไฟฟามคาเทากบความแรงของสนามแมเหลก จดสวางบนฉากเรองแสงจงไมมการเบยงเบน

เมอนาความแรงเนองจากสนามไฟฟา และความแรงเนองจากสนามแมเหลกทกระทาตออนภาคลบมาคานวณอตราสวนของประจตอมวล (e/m) ของอนภาคลบนน ปรากฏวาไดคาคงทเทากนทกครง ไมวาทอมสนจะใชกาซชนดใด หรอไมวาจะใชโลหะใดเปนแคโทด คอได

m

e = 1.7 X 108 คลอมบ/กรม

จากผลการทดลองและผลการคานวณ ทาใหทอมสนสรปวา “อนภาคลบในรงสแคโทดจะตองมลกษณะเหมอนกน และอะตอมทกชนดยอมจะมอนภาคทมประจลบเปนองคประกอบเหมอนกน และเรยกอนภาคลบนวาอเลกตรอน” เมอทดลองถงตอนนทาใหทอมสนสรปไดวา อะตอมไมใชสงทเลกทสด อะตอมของธาตทกชนดจะตองประกอบดวยอเลกตรอนและอนภาคอน ๆ ซงในขณะนนยงไมทราบ

การคนพบโปรตอน เนองจากอะตอมเปนกลางทางไฟฟา และการทพบวาอะตอมของธาตทกชนดจะตองประกอบดวยอเลกตรอนซงมประจลบ ทาใหนกวทยาศาสตรเชอวา องคประกอบอกสวนหนงของอะตอมจะตองมอนภาคทมประจบวกอยดวย

ออยเกน โกลดสไตน (Eugen Goldstein) นกวทยาศาสตรชาวเยอรมน ไดทาการทดลองเกยวกบหลอดรงสแคโทด โดยดดแปลงหลอดรงสแคโทดเลกนอย ดงในรป

โกลดสไตนไดเลอนขวแคโทดและแอโนดมาไวเกอบตรงกลาง แลวเพมฉากเรองแสง ข. ทปลายอกดานหนงของหลอดแกว โดยคดวาการทอนภาคทมประจลบสามารถเคลอนทผานขวแอโนดไปทฉากเรองแสง ก. ได อนภาคทมประจบวกกควรจะเคลอนทผานแคโทดไปทฉากเรองแสง ข. ไดเชนเดยวกน ดงนนจงเจาะรตรงกลางของขวแอโนดและแคโทดไว จากการทดลองเมอผานกระแสไฟฟา ปรากฏวามจดสวางเกดขนทงบนฉากเรองแสง ก. และ ข. ซงโกลดสไตนอธบายวาจดสวางทเกดบนฉากเรองแสง ข. จะตองเกดจากรงสทประกอบดวยอนภาคทมประจไฟฟาบวกเคลอนทผานรตรงกลางของแคโทดไปยงฉากเรองแสง แตยงไมทราบวารงสทมประจไฟฟาบวกนเกดจากอะตอมของกาซหรอเกดจากอะตอมของขวไฟฟา และมลกษณะเหมอนกนหรอไม จากการทดลองหลายครง ๆ โดยการเปลยนชนดของกาซในหลอดแกว ปรากฏวาอนภาคทมประจบวกเหลานมอตราสวนของประจตอมวลไมเทากน ขนอยกบชนดของกาซทใช และเมอทดลองโดยเปลยนโลหะทใชทาขวไฟฟาหลาย ๆ ชนด แตใชกาซในหลอด แกวชนดเดยวกน ปรากฏวาผลการทดลองไดอตราสวนของประจตอมวลเทากน แสดงวาอนภาคบวกในหลอดรงสแคโทดเกดจากกาซ ไมไดเกดจากขวไฟฟา ตอมาโกลดสไตนไดพบวาถาทาการทดลองโดยใชกาซไฮโดรเจน จะไดอนภาคบวกทมจานวนประจเทากบประจของอเลกตรอน และเรยกอนภาคบวกทเกดจากกาซไฮโดรเจนวา “โปรตอน” อะตอมของกาซไฮโดรเจนจะม 1 โปรตอน และอะตอมของธาตอน ๆ อนภาคบวกจะมมากกวา 1 โปรตอน แตจานวนโปรตอนและอเลกตรอนเทากน จากผลการทดลองทผานมา ทงของทอมสน และโกลดสไตน ทาใหทอมสนไดขอมลเกยวกบอะตอมมากขน จงไดเสนอแบบจาลองอะตอมดงน

“อะตอมมลกษณะเปนทรงกลม ประกอบดวยอนภาคโปรตอนทมประจบวกและอนภาคอเลกตรอนซงมประจลบกระจายอยทวไปอยางสมาเสมอในอะตอม อะตอมในสภาพทเปนกลางทางไฟฟาจะมจานวนประจบวกเทากบประจลบ”

ทอมสนไดนาแบบจาลองดงกลาวมาอธบายผลการทดลองดงน เมออะตอมของโลหะทเปนขวไฟฟาแคโทดไดรบพลงงานจากเครองกาเนดไฟฟา จนกระทงพลงงานนนมคามากพอทจะทาใหเกดการแตกตว (Ionization) ใหอเลกตรอนออกมา พลงงาน + M (s) M (g) M+ (g) + e- M คอ อะตอมของโลหะทเปนขวแคโทด อเลกตรอนทออกมาจากแคโทดจะเคลอนทไปยงแอโนด ซงในขณะทเคลอนทจะมการชนอะตอมของกาซทอยภายในหลอดดวย เนองจากอเลกตรอนทออกมาจากแคโทดมพลงงานตดตวออกมาดวย เมอมการชนกบอะตอมของกาซจะมการถายเทพลงงาน ซงถามการชนทแรงพอจนทาใหอะตอมของกาซทถกชนเกดการแตกตวใหอเลกตรอนและอนภาคทมประจบวกออกมาเชนเดยวกน

อเลกตรอนจากขวไฟฟา ชน A (g) A+ (g) + e- อเลกตรอนทงหมดจากขวไฟฟาและจากกาซซงเรยกรวมกนวารงสแคโทดจะพงไปยงขวแอโนด บางสวนจะวงผานรทเจาะไวตรงกลางขวแอโนดไปกระทบฉากเรองแสงทาใหเกดจดสวางบนฉากเรองแสงขน เนองจากอะตอมของธาตทกชนดประกอบดวยอเลกตรอนอยางเดยวกน ดงนนไมวาจะใชโลหะใดเปนขวไฟฟา หรอใชกาซใดใสในหลอดแกว จะไดรงสแคโทดนดเดยวกน อตราสวนระหวางประจตอมวลจงเทากน ในขณะทอเลกตรอนวงไปยงแอโนด อนภาคทมประจบวก คอ A+ จะวงไปยงแคโทด และบางสวนจะผานแคโทดตรงรทเจาะไวตรงกลางกระทบกบฉากเรองแสง ทาใหเกดจดสวางบนฉากเรองแสงขน แตเนองจากอะตอมของกาซแตละชนดมมวลไมเทากน ดงนนอตราสวนของประจตอมวลของอนภาคบวกจงไมเทากน (สาหรบกาซตางชนดกน)

เชน He (g) He+(g) + e- H (g) H+(g) + e- ประจตอมวลของ He+(g) กบ H+ (g) ยอมไมเทากน เพราะมวลอะตอมของ He และ H ไมเทากน

การหาคาประจของอเลกตรอน

ใน พ.ศ. 2451 โรเบรต แอนดรส มลลแกน (Robert Andrews Millikan) นกวทยาศาสตรชาวอเมรกาไดทาการทดลองหาคาประจของอเลกตรอน โดยใชการทดลองทเรยกวา “Oil drop experiment” เครองมอประกอบดวยขวไฟฟา 2 ขว ตออยกบเครองกาเนดไฟฟา ขวไฟฟาบนเปนขวบวก และขวไฟฟาดานลางเปนขวลบ ขวไฟฟาทง 2 ใสไวในกลองซงมอากาศอยภายใน เมอพนหยดนามนเมดเลก ๆ เขาไประหวางขวไฟฟาทงสอง เนองจากนามนแตละหยดมมวล ดงนนจงถกแรงดงดดของโลกทาใหตกลงมาสดานลาง ในขณะทเมดนามนยงไมมประจไฟฟา การทจะบงคบใหเคลอนทขนลงจงยงทาไมได ดงนนในตอนแรกจงตองเตมประจลงบนหยดนามนกอนโดยการฉายรงสเอกซ ( X-Ray) เขาไป รงสเอกซจะไปชนกบอากาศภายในกลอง ทาใหอะตอมของอากาศเกดการแตกตว X-rays A (g) A+ (g) + e-

รปท 1.10 แรงทกระทาตอหยดนามน อนภาคบวกและอเลกตรอนทเกดขนจะไปเกาะทหยดน ามน ทาใหหยดน ามนเกดประจ อเลกตรอนทไปเกาะทหยดน ามนอาจจะไปเกาะเพยง 1 ตว หรอหลายๆ ตวกได เชนเดยวกบอนภาคบวกกจะไปเกาะทหยดน ามน ซงอาจจะมอนภาคบวกหลายตวทหยดน ามน 1 หยด เมอหยดน ามนมประจในขณะทกาลงเคลอนทลงมาดวยแรงดงดดของโลก ถาใสสนามไฟฟาเขาไปใน

ระหวางขวไฟฟาทงสอง ขวไฟฟาบวกขางบนจะดงดดกบหยดน ามนทมอเลกตรอนเกาะอย สวนขวไฟฟาลบขางลางจะดงดดกบอนภาคบวกทาใหหยดน ามนทมอนภาคบวกเคลอนทลงไดเรวขน ซงในทนจะไมขอกลาวถงอนภาคบวก แตจะกลาวถงรายละเอยดเกยวกบอเลกตรอนเทานน ในขณะทใสสนามแมเหลกเขาไป หยดนามนทมอเลกตรอนเกาะอยจะมประจเปนลบ และถกดงดดใหลอยขนไปหาขวบวก ดงนนในตอนแรกหยดนามนเหลานจะเคลอนทลงไดชา และเมอเพมศกยไฟฟาระหวางขวใหมากขน จนกระทงแรงดงดดเนองจากขวไฟฟากบอเลกตรอนบนหยดนามนเทากบแรงเนองจากแรงดงดดของโลก หยดนามนเหลานนจะลอยนง ซงสามารถนามาคานวณคาของประจไฟฟาของอเลกตรอนแตละตวได ถา m = มวลของหยดนามน g = คาคงทของแรงดงดดของโลก F1 = แรงเนองจากแรงดงดดของโลกตอหยดนามน F1 = mg

ถา E = สนามไฟฟา q = ประจไฟฟาบนหยดนามน F2 = แรงเนองจากสนามไฟฟาตอหยดนามน F2 = Eq เมอพจารณาหยดนามนทลอยนง หยดใดหยดหนง จะไดวา แรงเนองจากแรงดงดดของโลก = แรงเนองจากสนามไฟฟา mg = Eq

หรอ q = E

mg

คา E และ g สามารถหาไดจากเครองมอทใช สวน m ซงเปนมวลของหยดนามนหา

ไดจากสตร m = 3

4 r 3 d

เมอ r = รศมของหยดนามน d = ความหนาแนนของนามน

จะเหนไดวา คา m , g และ E สามารถหาได ดงนนจงคานวณประจทอยบนหยดนามนได จากการทดลองพบวาประจทอยบนหยดนามนนนมคาเทากบ 1.60x 10-19 คลอมบ หรอเปนจานวนเทาของ 1.60x10-19 คลอมบ เชน 2x1.60x 10-19 , 3 x1.60x10-19 คลอมบ เปนตน แสดงวาจานวนประจทอยบนหยดนามนทมคานอยทสดคอ 1.60x10-19 คลอมบ จานวนประจอน ๆ จะเปนจานวนเทาของ 1.60x10-19 ดงนนคาของประจ 1.60x10-19 คลอมบ จงเปนคาประจของอเลกตรอน 1 ตว กลาวคอ

ถามอเลกตรอน 1 ตว เกาะบนหยดนามน จะไดประจ = 1.60x10-19 คลอมบ

ถามอเลกตรอน 2 ตว เกาะบนหยดนามน จะไดประจ = 2x1.60x10-19 คลอมบ

ถามอเลกตรอน 3 ตว เกาะบนหยดนามน จะไดประจ = 3x1.60x10-19 คลอมบ

ดงนน จากการทดลองของมลลแกนไดประจของอเลกตรอนมคาเทากบ 1.60x10-19 คลอมบ

การคานวณหามวลของอเลกตรอน

จากการทดลองของทอมสนไดคาประจตอมวลของอเลกตรอน คอ

m

e = 1.7 X 108 คลอมบ/กรม

จากการทดลองของมลลแกน

ไดคาประจของอเลกตรอน (e) = 1.60 x 10-19 คลอมบ

เพราะฉะนนหามวลของอเลกตรอนได m = 9.41 x 10-28 กรม แบบจาลองอะตอมของทอมสนนบวาเปนกาวสาคญเกยวกบการศกษาโครงสรางของอะตอม ทาใหไดมโนภาพของอะตอมทถกตองยงขน แตอยางไรกตามแบบจาลองอะตอมของทอมสนกยงไมสามารถจะอธบายผลการทดลองใหม ๆ อกเปนจานวนมาก ซงแสดงวายงไมใชแบบจาลองทสมบรณ เปนผลใหมการคนควาเพมเตมขน และมการเสนอแบบจาลองใหม ๆ ขนมา

**************************************************************************

ใบความรท 2 แบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด / เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป

******************************************************** ครศกดอนนต อนนตสข หลงจากทไดศกษาเกยวกบสารกมมนตรงสมากขน ไดมการคนพบรงสตาง ๆ ซงเกดจากการสลายตวของสารกมมนตรงส เชน รงสแอลฟา ( ) เบตา () และแกรมมา () โดยเฉพาะรงสแอลฟาซงจดวาเปนอนภาคทมประจไฟฟาบวก และมมวลมากกวารงสเบตา และแกรมมา เมออนภาคแอลฟาเคลอนทไปกระทบกบอนภาคอน ๆ ทมมวลนอยกวา จงไมคอยมการเบยงเบนซงทาใหนกวทยาศาสตรบางทานนาเอารงสแอลฟาไปศกษาเกยวกบโครงสรางของอะตอม เชน เออรเนสต รทเทอรฟอรด (Ernest Rutherford) นกวทยาศาสตรชาวนวซแลนด เปนตน ในป พ.ศ. 2454 รทเทอรฟอรด ไดทาการทดลองในประเภทองกฤษรวมกบ ฮนส ไกเกอร และเออรเนส มารสเดน ศกษาทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟา เมอยงอนภาคแอลฟาซงไดจากการสลายตวของสารกมมนตรงส เขาไปทแผนทองคาบาง ๆ

รปท 1 การทดลองของรทเทอรฟอรด

การตรวจสอบทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟาหลงจากกระทบแผนทองคาแลว ทาไดโดยใชฉากเรองแสงขดเปนวงกลมลอมรอบแผนทองคาไว โดยเวนทเฉพาะบรเวณทจะใหอนภาคแอลฟาผานเขามาเทานน ทก ๆ ครงทอนภาคแอลฟากระทบฉากเรองแสงจะพบวามจดสวางเกดขนทฉากเรองแสงนน (อนภาคแอลฟาคอ นวเคลยสของธาตฮเลยม ซงประจบวก ดงนนเมอกระทบฉากเรองแสงจงมจดสวางเกดขน ทาใหทราบทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟา) จากการทดลองพบวาอนภาคแอลฟาสวนใหญจะวงเปนแนวเสนตรง ผานแผนทองคาไปกระทบฉากเรองแสง ซงกคอบรเวณจด ก. ทอยหลงแผนทองคาในรป บางสวนจะเบยงเบนไปจากแนว

เสนตรง คอบรเวณจด ข. ของฉากเรองแสง และมนอยครงมากทอนภาคสะทอนกลบมากระทบฉากเรองแสงทจด ค. ซงอยหนาแผนทองคา จากผลการทดลอง ทาใหรทเทอรฟอรดแปลกใจมาก เพราะถานาแบบจาลองอะตอมของทอมสนมาอธบายทศทางทนาจะเกดขน เมอยงอนภาคแอลฟาไปทแผนทองคา อนภาคสวนใหญควรจะเบยงเบนไปจากแนวเสนตรง ทงน เพราะตามแบบจาลองอะตอมของทอมสน อะตอมประกอบดวยอนภาคบวกและลบ กระจายอยท วไปในอะตอม เมอยงอนภาคแอลฟาซงมประจบวกเขาไปในอะตอมของแผนทองคา อนภาคแอลฟาควรจะผลกกบโปรตอนซงมประจบวกเหมอนกน อนจะเปนผลทาใหทศทางของอนภาคแอลฟาเบยงเบนไปดงในรป ท 1.12 แตจากผลการทดลอง การทอนภาคแอลฟาสวนใหญวงผานแผนทองคาเปนแนวเสนตรง จงทาใหรทเทอรฟอรดแปลกใจมาก โดยเฉพาะอนภาคแอลฟาสวนทสะทอนกลบยงทาใหแปลกใจมากยงขน ทงนเพราะการทอนภาคแอลฟาสะทอนกลบไดแสดงวาภายในอะตอมจะตองมสงทมมวลมากขวางทางอย เมออนภาคแอลฟาไปชนจงเกดการสะทอนกลบ แตจากแบบจาลองอะตอมของทอมสนภายในอะตอมไมมสงหนงสงใดอยรวมกนเปนกลมเปนกอนเลย ดงนนการสะทอนกลบของอนภาคแอลฟาเปนมมมากกวา 90 องศา จงไมมทางเกดขนได จากการทแบบจาลองอะตอมของทอมสนไมสามารถอธบายผลการทดลองได ทาใหรทเทอรฟอรดคดวาแบบจาลองอะตอมของทอมสนยงไมถกตอง จงเสนอแบบจาลองอะตอมขนมาใหมเพอใชอธบายผลการทดลองดงกลาว

รปท 2 ทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟาตามแบบจาลองอะตอมของทอมสน

การทอนภาคแอลฟาสวนใหญเคลอนทผานอะตอมของทองคาเปนแนวเสนตรง แสดงวาภายในอะตอมทองคาควรจะมทวางเปนจานวนมาก และการทอนภาคแอลฟาบางสวนสะทอนกลบแสดงวาภายในอะตอมควรจะมอนภาคอะไรสกอยางทรวมกนเปนกลมกอน และมปรมาณมากพอ รวมทงมมวลมากพอทจะทาใหอนภาคสะทอนกลบเมอกระทบถกได เนองจากภายในอะตอม (ในขณะนน) มแตอเลกตรอนและโปรตอน โดยทอเลกตรอนมมวลนอยมาก รทเทอรฟอรดจงคกวาอนภาคสวนทมารวมกนเปนกลมกอนจงนาจะเปนอนภาคของโปรตอน ดงนนเพอทจะอธบายผล

การทดลอง รทเทอรฟอรดจงเสนอแบบจาลองแบบใหม เรยกวา แบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด ดงน “อะตอมมลกษณะเปนทรงกลม ประกอบดวยนวเคลยสซงกคอโปรตอนทรวมกนอยตรงกลางของอะตอม และมอเลกตรอนวงวนอยรอบ ๆ นวเคลยส นวเคลยสมขนาดเลก แตมมวลมากและมประจบวก สวนอเลกตรอนจะมมวลนอยและมประจลบ จานวนอเลกตรอนจะเทากบจานวนโปรตอน”

รปท 3 แบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด

จากแบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดจะเหนวาอะตอมถกแบงเปน 2 สวน สวนท 1 คอ นวเคลยส อยตรงกลาง มขนาดเลกมากเมอเทยบกบขนาดของอะตอม สวนท 2 คอ อเลกตรอนทวงอยรอบ ๆ นวเคลยส ลกษณะของอะตอมจงเปนแบบโปรง ภายในอะตอมมชองวางอยมาก รทเทอรฟอรดไดใชแบบจาลองอะตอมทเสนอขนมาใหมอธบายผลการทดลองดงน เนองจากนวเคลยสมขนาดเลกมาก เมอเปรยบเทยบกบขนาดของอะตอม ทาใหมชองวางภายในอะตอมมาก เมอยงอนภาคแอลฟาเขาไป อนภาคสวนใหญจงสามารถวงทะลผานแผนทองคาไปไดโดยไมมการเบยงเบน มบางครงทอนภาคแอลฟาวงเขามาใกลนวเคลยสซงมประจบวกเหมอนกนจะถกนวเคลยสผลกออกไป ซงทาใหทศทางของอนภาคแอลฟาเบยงเบนออกไป และนานครง ๆ อนภาคแอลฟาจะวงตรงไปชนกบนวเคลยสทาใหสะทอนกลบออกมา แตเนองจากนวเคลยสมขนาดเลกมากเกนไป ดงนนโอกาศทอนภาคแอลฟาจะชนกบนวเคลยสจงนอยมาก ๆ สาหรบอเลกตรอนทวงวนอยรอบ ๆ นวเคลยสเนองจากมมวลนอยมาก ถงแมวาอนภาคแอลฟาจะวงมาชนกจะไมมผลทาใหทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟาเบยงเบนไป

รปท 4 การใชแบบจาลองอธบายผลการทดลองของรทเทอรฟอรด

จะเหนไดวาแบบจาลองของอะตอมทรทเทอรฟอรดเสนอขนมาใหมนสามารถอธบายผลการทดลองไดเปนอยางด และตามมโนภาพของรทเทอรฟอรด มวลสวนใหญของอะตอมกคอมวลของนวเคลยสนนเอง อเลกตรอนแมวาจะเปนสวนประกอบททาใหอะตอมมขนาดใหญขนจะมมวลนอยมากซงจะไมมผลตอมวลของอะตอม อยางไรกตามถงแมวาแบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดสามารถใชอธบายผลการทดลองไดถกตองกวา แบบจาลองอะตอมของทอมสน แตกยงมขอบกพรองทยงไมสามารถอธบายได เชน ทาไมโปรตอนซงมประจบวกเหมอนกน จงรวมกนอยตรงกลางเปนนวเคลยสได ทง ๆท ควรจะผลกกน มอะไรมายดโปรตอนใหรวมกนได และทาไมอเลกตรอนทวงอยรอบ ๆ นวเคลยสจงไมผลกกน ทง ๆ ทมประจลบเหมอนกน รวมทงทาไมจงไมถกดงดดเขาไปทนวเคลยส ซงเปนเหตทตองมการปรบปรงและเสนอแบบจาลองใหม ๆ ขนมา --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

อนภาคมลฐานของอะตอม จากการศกษาเกยวกบโครงสรางอะตอมในตอนแรก ทาใหนกวทยาศาสตรเชอวาอะตอมประกอบดวยอนภาค 2 ชนด คอ อเลกตรอน และโปรตอน จนกระทงการศกษาเกยวกบอะตอมไดพฒนาการมากขน จงไดทราบวานอกจากจะมอเลกตรอนและโปรตอนแลวยงมนวตรอน และอนภาคอน ๆ อกหลายชนด ในป พ.ศ. 2456 เฮนร มอสเลย (Henry Mosley) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษสามารถหาจานวนโปรตอนทมอยในแตละธาตได โดยศกษาจากสเปกตรมรงสเอกซของธาต เมอนาจานวนโปรตอนของธาตมาพจารณารวมกบแบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดในแงมวลของอะตอม จะพบวาแบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดยงไมถกตองนก กลาวคอตามแบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด มวลของอะตอมกคอ มวลของนวเคลยส หรอมวลของโปรตอนอยางเดยวนนเอง ถานวเคลยสของอะตอมประกอบดวยโปรตอนอยางเดยว มวลของอะตอมกนาจะเทากบมวลของโปรตอนมารวมกน แตจากการทดลองหามวลของอะตอมพบวามวลอะตอมของธาตตาง ๆ มกจะมคามากกวามวลของโปรตอนเสมอ เชน ธาตคารบอนมโปรตอน 6 ตว ตามแบบจาลอง

อะตอมของรทเทอรฟอรดมวลอะตอมควรจะมคาเปน 6 หนวย แตจากการทดลองพบวามมวลอะตอมถง 12 หนวย หรอธาตออกซเจนม 8 โปรตอน แตมมวลอะตอม 16 หนวย เปนตน จากผลการทดลองพบวาอะตอมของธาตสวนใหญจะมมวลเปน 2 เทา หรอมากกวา 2 เทาของโปรตอน ทาใหรทเทอรฟอรดตงขอสนนษฐานวา ภายในอะตอมนาจะมอนภาคอกชนดหนงซงไมใชโปรตอนและอเลกตรอนอยดวย โดยทอนภาคนจะอยรวมกนในนวเคลยส และมมวลใกลเคยงกบมวลของโปรตอน รวมทงเปนกลางทางไฟฟาดวย ซงตอมากไดมการพสจนขอสนนษฐานของรทเทอรฟอรดจนยอมรบกนวาเปนความจรง ประมาณป พ.ศ. 2456 ทอมสน ไดทดลองเกยวกบมวลของอนภาคบวกทไดจากหลอดรงสแคโทด พบวา ในขณะทใชกาซนออนใสในหลอดรงสจะสามารถหามวลของอนภาคบวกไดถง 2 คา คอ 20 และ 22 หนวย ซงแสดงวากาซนออนจะตองมอะตอม 2 ชนด ซงมมวลไมเทากน ซงตอมา เฟรเดอรก ซอดด (Frederick soddy) ไดตงชออะตอมของธาตชนดเดยวกนแตมมวลตางกนวา ไอโซโทป ซงถอวาผลการทดลองนเปนขอมลสนบสนนขอเสนอของรทเทอรฟอรด ทวาภายในนวเคลยสควรจะมอนภาคอกอยางหนง ซงมมวลใกลเคยงกบโปรตอนแตไมมประจ ในป พ.ศ. 2475 เจมส แซดวก (James Chadwick) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษ ไดทดลองยงอนภาคแอลฟาไปยงธาตชนดตาง ๆ โดยใชเครองมอทละเอยดถกตองยงขน และพสจนไดวาภายในนวเคลยสจะมอนภาคอกชนดหนงซงเปนกลางทางไฟฟาอยดวย และเรยกอนภาคนนวา นวตรอน จากการคนพบนวตรอน จงทาใหโครงสรางของอะตอมเปลยนแปลงไปจากแบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดเลกนอย ทาใหทราบวาภายในอะตอมจะประกอบดวยอนภาค 3 ชนด คอ อเลกตรอน โปรตอน และ นวตรอน โดยเรยกอนภาคทง 3 ชนด วาเปน อนภาคมลฐานของอะตอม ดงนนแบบจาลองอะตอมจงเปลยนไป แบบใหมมลกษณะดงน “อะตอมมลกษณะเปนทรงกลม ประกอบดวยโปรตอนและนวตรอนรวมกนอยตรงกลางของอะตอม เรยกวา นวเคลยส และมอเลกตรอนซงมจานวนเทากบโปรตอนวงอยรอบ ๆ นวเคลยส”

รปท 5 แบบจาลองอะตอมทมนวตรอน

จากการศกษาสมบตของอนภาคมลฐานของอะตอมทง 3 ชนด พบวาอเลกตรอนแตละตวมประจเทากบโปรตอน แตเปนประจตรงกนขาม คอ อเลกตรอนมประจลบ แตโปรตอนมประจบวก ในขณะทนวตรอนเปนกลางทางไฟฟา คอจะเปนศนย นอกจากนยงทราบวามวลของโปรตอนและนวตรอนมคาใกลเคยงกนมาก สวนมวลของอเลกตรอนมคานอยมากเมอเปรยบเทยบกบโปรตอน ดงในตารางตอไปน

ตารางท 1 อนภาคมลฐานของอะตอม อนภาค สญลกษณ มวล มวลเปรยบเทยบ ประจในหนวย ชนดของ

kg amu กบอเลกตรอน คลอมบ esu ประจ

โปรตอน นวตรอน อเลกตรอน

p n e

1.672 x 10-27 1.674 x 10-27 9.109 x 10-32

1.0073 1.0087 0.00054

0

1836 1839

1.602 x 10-19 0

1.602 x 10-19

4.8209x10-12 0

4.8209x10-12

+1 0 -1

1 amu. = 1 atomic mass unit = 1.66 x 10-24 g.

ในปจจบนนอกจากจะพบอนภาคมลฐานของอะตอมซงจดวาเปนอนภาคทมความคงตวภายในอะตอมแลว ยงมอนภาคอน ๆ อกหลายชนดทอยภายในอะตอม แตเปนอนภาคทไมคงตว ซงอาจจะเกดจากนวเคลยสของอะตอมถกชนดวยอนภาคอน ๆ ตวอยางของอนภาคทไมคงตว ไดแก โพสตรอน (Positron) ซงมสมบตคลายอเลกตรอน แตมประจเปนบวก นวตรโน (Neutrino) ทเกดในปฏกรยานวเคลยรมมวลนอยมากจนเกอบเปนศนย และมซอน (Meson) ซงมมวลอยระหวางโปรตอนกบอเลกตรอน และเชอกนวามสวนชวยใหโปรตอนและนวตรอนสามารถยดเหนยวอยดวยกนไดภายในนวเคลยส

ตารางท 2 อนภาคทไมคงตวภายในอะตอม อนภาค สญลกษณ มวล( amu.) ประจ (esu.) ชนดของประจ

โพสตรอน นวตรโน มซอน

ดวทรอน แอลฟา

e+ , + , +1e

21 D , d

, 42 He

0.000540 -

0.156 0.118

2.01416 4.00276

4.8209 x 10-12

0 4.8209 x 10-12 4.8209 x 10-12 4.8209 x 10-12 9.6056 x 10-12

+1 0

+1 , -1 +1 , -1

+1 +2

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป

จากการคนพบนวตรอนทาใหทราบวาแบบจาลองอะตอมประกอบดวยอนภาคมลฐาน 3 ชนด คอ อเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน เพอความสะดวกในการเขยนโครงสรางของอะตอม นกวทยาศาสตรจงไดกาหนดสญลกษณตาง ๆ แทนอนภาคมลฐานเหลานนขนมา คอ เลขอะตอม และเลขมวลของธาต เลขอะตอม(Atomic number) ใชสญลกษณ Z หมายถง ตวเลขทแสดงจานวนโปรตอนทมอยในนวเคลยสของธาต อะตอมของธาตชนดหนง ๆ จะมจานวนโปรตอนเฉพาะตวไมซ ากบธาตอน ๆ ธาตชนดเดยวกนจะตองมจานวนโปรตอนหรอเลขอะตอมเทากน ถาอะตอมทเปนกลาง จานวนอเลกตรอนเทากบจานวนโปรตอน

เพราะฉะนน เลขอะตอม = จานวนโปรตอน = จานวนอเลกตรอน

แตถาอะตอมไมเปนกลาง จานวนอเลกตรอนจะไมเทากบโปรตอน เชน ไอออนบวกจะมโปรตอนมากกวาอเลกตรอน ไอออนลบ จะมโปรตอนนอยกวาอเลกตรอน เพราะฉะนน เลขอะตอม = จานวนโปรตอน จานวนอเลกตรอน เลขมวล ( Mass number) ใชสญลกษณเปน A หมายถง ผลรวมของจานวนโปรตอน และจานวนนวตรอนในนวเคลยส เลขมวลไมใช มวลอะตอม เลขมวลจะตองเปนจานวนเตมเสมอ แตมวลอะตอมอาจจะเปนเลขจานวนเตมหรอไมกได สญลกษณนวเคลยร (Nuclear symbol) เปนสงทใชเขยนแทนโครงสรางของอะตอม โดยบอกรายละเอยดเกยวกบจานวนอนภาคมลฐานของอะตอม วธการเขยนตามขอตกลงสากลคอ เขยนเลขอะตอมไวมมลางซาย และเลขมวลไวมมบนซายของสญลกษณของธาต เขยนเปนสตรทว ๆ ไปดงน

สญลกษณนวเคลยร = ZA X

X คอ สญลกษณของธาต A คอ เลขมวล Z คอ เลขอะตอม ถาให n = จานวนนวตรอน จะสามารถหาความสมพนธระหวางเลขอะตอม เลขมวล และจานวนนวตรอนไดดงน

เลขมวล = เลขอะตอม + จานวนนวตรอน A = Z + n

ดงนนสญลกษณนวเคลยรจงทาใหทราบวาธาตดงกลาวนนมอเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน อยางละเทาใด ตวอยางท 1 จงคานวณจานวนอเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน ของธาตซงม

สญลกษณนวเคลยรดงตอไปน 2311 Na, 235

92 U, 126 C

วธทา จากสญลกษณนวเคลยร ZA X A คอ เลขมวล Z คอ เลขอะตอม

A = Z + n n = A - Z

สาหรบ 2311 Na ม A = 23 , Z = 11

เพราะฉะนน n = 23 - 11 = 12 มอเลกตรอน = โปรตอน = 11 มนวตรอน = 12

สาหรบ 23592 U ม A = 235 , Z = 92

เพราะฉะนน n = 235 - 92 = 143 มอเลกตรอน = โปรตอน = 92 มนวตรอน = 143

สาหรบ 126 C ม A = 12 , Z = 6

เพราะฉะนน n = 12 - 6 = 6 มอเลกตรอน = โปรตอน = 6 มนวตรอน = 6

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ไอโซโทป (Isotope) หมายถง อะตอมของธาตชนดเดยวกนทมโปรตอนเทากน (หรออเลกตรอนเทากน ) แตมเลขมวลและจานวนนวตรอนตางกน (หรอมมวลตางกน) อะตอมของธาตชนดเดยวกนจะมจานวนโปรตอนและอเลกตรอนเทากน แตจานวนนวตรอนอาจจะไมเทากนกได ซงมผลทาใหมวลตางกน อะตอมของธาตดงกลาวเรยกวาเปน

ไอโซโทป เชน 126 C, 13

6 C และ 146 C เปนไอโซโทปกน

สญลกษณนวเคลยร จานวนอเลกตรอน จานวนโปรตอน จานวนนวตรอน เลขมวล 126 C

136 C

146 C

6 6 6

6 6 6

6 7 8

12 13 14

จะเหนไดวาคารบอนทง 3 ชนด มอเลกตรอนและโปรตอนเทากน แตมจานวนนวตรอนและเลขมวลไมเทากน จงเปนไอโซโทปกน การอานชอไอโซโทป ใหเรยกชอธาต แลวตามดวยเลขมวล เชน

126 C อานวา คารบอน 12

136 C อานวา คารบอน 13

146 C อานวา คารบอน 14 เปนตน

การเขยนสญลกษณนวเคลยรของไอโซโทป อาจจะเขยนแบบยอไดโดยเขยนเฉพาะ

สญลกษณของธาตกบเลขมวลคกน เชน 126 C, 13

6 C และ 146 C

ไอโซโทปของธาตบางชนดอาจจะมชอเรยกโดยเฉพาะ เชน ธาตไฮโดรเจนม 3 ไอโซโทป และมชอเฉพาะดงน

11 H เรยกวา โปรเตรยม ใชสญลกษณ H แทน 11 H

21 H เรยกวา ดวทเรยม ใชสญลกษณ D แทน 2

1 H

31 H เรยกวา ตรเตรยม ใชสญลกษณ T แทน 3

1 H ธาตทเปนไอโซโทปกน ถงแมวาจะเปนธาตชนดเดยวกน แตมวลอะตอมจะไมเทากน รวมทงสมบตทางกายภาพแตกตางกนดวย แตสมบตทางเคมเกอบเหมอนกนทกประการ ธาตชนดหนง ๆ อาจจะมไดหลายไอโซโทป บางไอโซโทปมอยในธรรมชาตแตบางไอโซโทปกสงเคราะหขนมาทงนเพอนาไปใชประโยชนในแงตาง ๆ กน ไอโซโทปของธาตชนดหนง ๆ มกจะมปรมาณในธรรมชาตไมเทากน เชน ธาตไฮโดรเจนในธรรมชาตจะมโปรเตรยมอยถง 99.99 % ดงนน จงมดวทเรยมเพยงเลกนอย สวนตรเตรยมเปนไอโซโทปกมมนตรงส จงไมเสถยร ปจจบนมการใชไอโซโทปเพอประโยชนในทางดานตาง ๆ มากขน เชน

* ใช 126 C เปนมาตรฐานเปรยบเทยบในการหามวลอะตอมของธาตตาง

* ใช 146 C บอกอายของวตถโบราณ และใชศกษากลไกของการเกดปฏกรยาเคม

* ใช 24 Na ในการแพทยเพอตรวจวงจรของโลหต

* ใช 60 Co สาหรบเปนแหลงกาเนดรงสแกมาเพอประโยชนทางการแพทย คอใชรกษา โรคมะเรง

* ใช 131 I สาหรบตรวจอาการผดปกตของตอมไทรอยด เปนตน ไอโซโทน ( Isotone ) หมายถง ธาตตางชนดกนทมจานวนนวตรอนเทากน แตมเลขมวล

และเลขอะตอมไมเทากน เชน 188 O 19

9 F เปนไอโซโทนกน มนวตรอนเทากนคอ n = 10 ธาต A Z n 188 O

199 F

18 19

8 9

10 10

จะเหนไดวาเฉพาะ n เทานนทเทากน แต A และ Z ไมเทากน จงเปนไอโซโทน ไอโซบาร (Isobar) หมายถง ธาตตางชนดกนทมเลขมวลเทากน แตมมวลอะตอมและ

จานวนนวตรอนไมเทากน เชน 3015 P กบ 30

14 Si มเลขมวลเทากนคอ 30 ธาต A Z n

3015 P

3014 Si

30 30

15 14

15 16

จะเหนไดวาเฉพาะ A เทานนทเทากน แต Z และ n ไมเทากน จงเปนไอโซบาร

จากสญลกษณนวเคลยร ZA Xn (เพอแสดงทง A, Z , n ) ถาตวใดตวหนงของ A, Z หรอ n

เทากนอก 2 ตวทเหลอจะไมเทากน เชน ถา A เทา Z และ n จะไมเทากน ตวอยางท 2 จงเลอกธาตทเปนไอโซโทป ไอโซบาร และไอโซโทน จากธาตทกาหนดใหตอไปน

126 C, 13

6 C , 146 C , 10

5 B , 115 B , 14

7 N , 157 N , 16

8 O วธทา จากสญลกษณนวเคลยรทกาหนดให หาคาของ A, Z , n ไดดงน

ธาต A Z n

126 C

136 C

146 C

105 B

115 B

147 N

12 13 14 10 11 14

6 6 6 5 5 7

6 7 8 5 6 7

157 N

168 O

15 16

7 8

8 8

ไอโซโทป มโปรตอนหรอ Z เทากน ดงนนธาตทเปนไอโซโทปกน คอ 126 C, 13

6C และ

146 C , 10

5 B และ 115 B , 14

7 N และ 157 N

ไอโซบาร ม A เทากน ธาตทเปนไอโซบารกน คอ 146 C และ 14

7 N

ไอโซโทน ม n เทากน ธาตทเปนไอโซโทนกนคอ 126 C และ 11

5 B 136C

และ147 N 15

7 N และ 168 O

******************************************************************************

ใบความรท 3 คลน สมบตของคลนและสเปกตรมของแสง

******************************************************** ครศกดอนนต อนนตสข แบบจาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด ใชอธบายเกยวกบการทดลองยงอนภาคแอลฟาไปทแผนทองคา แตอธบายปญหาบางอยางไมได เชน ทาไมโปรตอนซงมประจบวกจงรวมกนเปนนวเคลยสได และทาไมอเลกตรอนซงมประจลบจงเคลอนทรอบ ๆ นวเคลยสได หลงจากการคนพบนวตรอน สามารถอธบายเหตผลทโปรตอนสามารถรวมกนเปนนวเคลยสได 2 ลกษณะดงน 1.โปรตอนและนวตรอนทจะเปลยนกลบไปกลบมาได ถา 1

0 n คอ นวตรอน และ 11 p คอ โปรตอน จะเขยนสมการแสดงการเปลยนแปลง

กลบไปกลบมาระหวางโปรตอน และนวตรอนไดดงน Neutron + Positive charge Proton

หรอ 10 n + 0

1 e 11 p และ Proton + Negative charge Neutron

หรอ 11 p + 01 e 1

0 n จะเหนไดวา โปรตอนสามารถเปลยนไปเปนนวตรอนไดโดยอาศยอเลกตรอน และ

นวตรอนสามารถเปลยนเปนโปรตอนไดโดยโปสตรอน ( 01 e ) ซงเปนอนภาคทไมเสถยรภายใน

นวเคลยส เขยนเปนสมการรวมไดดงน การทโปรตอนและนวตรอนสามารถจะเปลยนกลบไปกลบมาไดจงกอใหเกดแรงยดเหนยวระหวางอนภาคทงสอง ซงทาใหอนภาคทงสองอยดวยกนได และทาใหนงเคลยสมความเสถยร 2.พจารณาในแงของประจ เนองจากนวตรอนไมมประจไฟฟาจงเปนกลางทางไฟฟา นวตรอนจงไมมแรงดดหรอแรงผลกระหวางอนภาค ดงนนจงทาหนาทเชอม (Cement) ระหวางโปรตอนกบโปรตอน โดยการแทรกอยระหวางโปรตอนกบโปรตอนซงทาใหโปรตอนอยในระหวาง ลดแรงผลกลงได จงทาใหโปรตอนอยรวมกนได จะเหนไดวาแบบจาลองอะตอมใหมทมนวตรอนสามารถอธบายการรวมตวกนของโปรตอนในนวเคลยสได แตยงไมสามารถอธบายไดวาอเลกตรอนอยรวมกนรอบ ๆ นวเคลยสไดอยางไร อเลกตรอนทงหมดอยรวมกนหรอมการแบงกลม ๆ หรอมตวกลางแบบเดยวกบนวตรอนในนวเคลยส นอกจากนยงไมสามารถอธบายไดวาเหตใดเมอเผาสารประกอบชนดตาง ๆ สของเปลวไฟจงไมเหมอนกน

นกวทยาศาสตรไดพยายามศกษาลกษณะของการจดเรยงอเลกตรอนรอบ ๆ อะตอม โดยแบงการศกษาออกเปน 2 สวน สวนแรกเปนการศกษาเกยวกบสเปกตรมของอะตอมซงจะทาใหทราบวาภายในอะตอมมการจดระดบพลงงานเปนชน ๆ ในแตละชนจะมอเลกตรอนบรรจอย สวนทสองเปนการศกษาเกยวกบพลงงานไอออนไนเซชน เพอจะดวาในแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนบรรจอยไดกตว

สเปกตรม หมายถง อนกรมของแถบสหรอ หรอเสนทไดจากการผานพลงงานรงสเขาไปใน

สเปกโตรสโคป ทาใหพลงงานรงสแยกออกเปนแถบหรอเปนเสนทมความยาวคลนตาง ๆ เรยงลาดบกนไป สเปกโตรสโคป (Spectroscope) หรอสเปกโตรมเตอร (Spectrometer) หมายถง เครองมอทใชแยกสตามความถ หรอเครองมอทใชศกษาเกยวกบสเปกตรม สเปกตรม แบงเปน 2 ประเภท คอ ก. สเปกตรมแบบตอเนอง (Continuous spectrum) เปนสเปกตรมทประกอบดวยแถบสทมความถตอเนองกนไปอยางกลมกลนกน เชน สเปกตรมของแสงอาทตย ข. สเปกตรมไมตอเนอง (Discontinuous spectrum) หรอเรยกเสนสเปกตรม ลกษณะของสเปกตรมจะเปนเสนหรอแถบสเลก ๆ ทไมเกดตอเนองกนไป แตมการเวนชวงของความถทเสนสเปกตรมเกด เชน สเปกตรมธาตไฮโดรเจน ธาตฮเลยม เปนตน สเปกตรมทไมตอเนองจะมบทบาททสาคญในการศกษาโครงสรางอะตอม เนองจากอะตอมของธาตตาง ๆ จะมเสนสเปกตรมเฉพาะตวคลายกบลายนวมอของคนแตละคนทไมเหมอนกนสาหรบสเปกตรมของธาต ถาพลงงานรงสเกดจากการเปลยนแปลงของอะตอมจะเรยกวา “อะตอมมกสเปกตรม (Atomic spectrm) ” ความยาวคลน (Wavelength) ใชสญลกษณเปน (อานวา แลมบดา) เปนสมบตทสาคญของคลนหมายถง ระยะทางทคลนเคลอนทครบ 1 รอบพอด (คอระยะทางจากจด ก. ถงจด ข. ในรป หรอระยะทางจากจดประปลายหนงไปยงอกปลายหนง) ความยาวคลนมหนวยเปนเมตร ( m ) หรอหนวยยอยของเมตร เชน นาโนเมตร (nm) โดย 1 nm = 10-9 เมตร

ความถของคลน ใชสญลกษณเปน (อานวา นว) หมายถง จานวนรอบของคลนทเคลอนทผานจดใดจดหนงในเวลา 1 วนาท ความถของคลนจงมหนวยเปนจานวนรอบตอวนาท ( S-1 หรอ cycle/s) หนวยนมชอเรยกอกอยางหนงวาเฮรตซ ( Hertz) หรอใชสญลกษณเปน Hz แอมปลจด ( Amplitude) คอ ความสงของยอดคลน คลนทจะศกษากนในทนเปนคลนแมเหลกไฟฟาในชวงความยาวคลนระหวาง380-750 nmซงเปนชวงคลนทมความยาวและความถทประสาทตาของคนจะรบไดเรยกคลนแมเหลกไฟฟาชวงดงกลาวนวา “แสงขาว (Visibel light)” สาหรบชวงอน ๆ นอกจากนจะไมนามาศกษาเนองจากประสาทตาไมสามารถจะรบได เชน ชวงอลตราไวโอเลต (Utraviolet หรอตวอยคอ U.V. ) อนฟาเรด (Infrared หรอตวยอ I.R.) และไมโครเวฟ (Microwave) เปนตน

ตารางท 1 สมบตของคลนในชวงความยาวตาง ๆ กน บางชวง ชวงคลน ความยาวคลน (m) ความถคลน (Hz)

อลตราไวโอเลต แสงขาว อนฟราเรด ไมโครเวฟ

1 x 10-7 - 3 x 10-7 3 x 10-7 - 7 x 10-7

2.5 x 10-6 - 3 x 10-5 1 x 10-3 - 3 x 10-1

1.5 x 1015 0.6 x 1015 3.0 x 1013 3.0 x 1010

การศกษาเกยวกบสเปกตรมนมมาตงแตสมยนวตน โดยใชปรซมแยกแสงอาทตยออกเปนแถบสรวม 7 ส ซงภายหลงเคอรชอฟ (Gustav Krchhoff) ชาวเยอรมน ไดประดษฐสเปกโตรสโคปขน ใชในการแยกสเปกตรมของแสงขาว และตอมาบนเสน (Robert Bunsen) ไดนาความรเกยวกบสเปกตรมไปวเคราะหแรชนดตาง ๆ ซงทาใหทราบวาแรนนมธาตอะไรเปนองคประกอบ

เมอใหแสงขาวสองผานปรซม แสงขาวจะแยกออกเปนแถบสตาง ๆ ตอเนองกน 7 ส เหมอนสรง คอ สมวง คราม นาเงน เขยว เหลอง สม และแดง นกวทยาศาสตรเรยกแถบสตอเนองกนทง 7 สนวา “ สเปกตรมของแสงสขาว ” การทแสงขาวสามารถแยกออกเปนสเปกตรมสตาง ๆ กนกเนองจากแสงขาวประกอบดวยสตาง ๆ ทง 7 ส ซงมความยาวคลนตาง ๆ จะทาใหเกดการหกเหตามขนาดของมมตาง ๆ แสงทมความยาวคลนไมเทากนจะเกดการหกเหในปรซมไดไมเทากน ซงทาใหเกดการแยกออกเปนแถบแสงสตาง ๆ และตอเนองกนเปนแถบสเปกตรม

ตารางท 2 แถบสของสเปกตรมของแสงขาว สของสเปกตรม ความยาวคลน (nm)

มวง คราม นาเงน เขยว เหลอง สม แดง

380 - 420 420 - 460 460 - 490 490 - 580 580 - 590 590 - 650 650 - 700

สาหรบคลนแมเหลกไฟฟาในชวงอน ๆ กมการหกเหเมอผานปรซมหรอผานตวกลางเชนเดยวกน แตไมสามารถมองเหนไดเหมอนแสงขาว การศกษาสเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟาไดรบความสนใจเปนอยางมากนกวทยาศาสตร ซงตอมามกซ พลงค (Max Planck) นกวทยาศาสตร ชาวเยอรมน ไดพบวาคลนแมเหลกไฟฟาหรอแสงเปนพลงงานรปหนงและพลงงานของคลนแมเหลกไฟฟามสวนสมพนธกบความถและความยาวของคลนโดยสรปเปนกฎวา “ พลงงานของคลนแมเหลกแมเหลกไฟฟาจะเปนสดสวนโดยตรงกบความถของคลนนน ” เขยนเปนความสมพนธไดดงน

E E = h

เมอ E = พลงงานของคลนแมเหลกไฟฟา (หนวยเปน จล ) h = คาคงทของพลงค ( Plank , constant) = 6.625 x 10-34 Js = ความถของคลนแมเหลกไฟฟา (Hz หรอ s-1) เรยกสมการดงกลาวนวากฎของพลงค

ในการศกษาเกยวกบคลนโดยทว ๆ ไปมกจะวด เปนความคลน ซงความยาวคลนมสวนสมพนธกบความถของคลนดงน

C =

= c

เมอ c คอความเรวของคลนแมเหลกไฟฟาในสญญากาศ หรอความเรวแสงในสญญากาศ c = 2.99 x 108 ms-1 หรอ โดยประมาณ c = 3.0 x 108 ms-1 จากความสมพนธของความยาวคลนของความยาวคลนแมเหลกไฟฟา ทาใหสามารถเขยนกฎของพลงค เพอแสดงความสมพนธระหวางพลงงานของคลนแมเหลกไฟฟากบความยาว และความถของคลน ไดดงน

E = h = hc

เนองจากแสงขาวประกอบดวยแสงสตาง ๆ รวม 7 ส แตละสมลกษณะเปนแถบสเปกตรมจงมความยาวคลนเปนชวง ดงนนคาของความถและพลงงานจงเปนชวงดวย การคานวณเกยวกบพลงงานของคลนจงตองระบความยาวคลนหรอความถทแนนอนดวย เชน แสงสเขยวมความยาวคลนระหวาง 490 - 580 จะมพลงงานอยระหวาง 4.06 x 10-19 และ 3.43 x 10-19 จล ถาแสงสเขยวทมความยาวคลน 520 nm จะมพลงงาน 3.82 x 10-19 จล เปนตน

ตารางท 3 พลงงาน ความยาว และความถของแสงสขาว สของสเปกตรม ความยาวคลน

(nm) ความถคลน (Hz) พลงงาน (J)

มวง คราม นาเงน เขยว เหลอง สม แดง

380 - 420 420 - 460 460 - 490 490 - 580 580 - 590 590 - 650 650 - 700

7.89 x 1014 - 7.14 x 1014 7.14 x 1014 - 6.52 x 1014 6.52 x 1014 - 6.12 x 1014 6.12 x 1014 - 5.17 x 1014 5.17 x 1014 - 5.08 x 1014 5.08 x 1014 - 4.62 x 1014 4.62 x 1014 - 4.29 x 1014

5.23 x 10-19 - 4.73 x 10-19 4.73 x 10-19 - 4.32 x 10-19 4.32 x 10-19 - 4.06 x 10-19 4.06 x 10-19 - 3.43 x 10-19 3.43 x 10-19 - 3.37 x 10-19 3.37 x 10-19 - 3.06 x 10-19 3.06 x 10-19 - 2.84 x 10-19

จากตารางจะเหนไดวาในแสงขาวซงมสตาง ๆ รวม 7 ส แสงสมวงจะมความยาวคลนสนทสด แตมความถสงสด และมพลงงานสงสด ในขณะทแสงสแดงมความยาวคลนมากทสด แตมความถตาสดและมพลงงานตาทสด

หรอพจารณาจากสตร E = h = hc

ถา มาก และ E จะนอย แตถา นอย และ E จะมาก ตวอยางเพมเตมท 1 เสนสเปกตรมของไฮโดรเจน 2 เสน คอเสนสมวงมความยาวคลน 410 nm และเสนสน าเงนมความยาวคลน 434 nm จะมพลงงานตางกนเทาใด ?

วธทา จากสตร E = h = hc

c = 3.0 x 108 m/s h = 6.625 x 10-34 Js สาหรบเสนสมวง ; = 410 nm = 4.10 x 10-7 m

E = 6.625 x 10-34 Js x 7

8

10x10.4

10x0.3

= 4.85 x 10-19 J

สาหรบเสนสมวง ; = 434 nm = 4.34 x 10-7 m

E = 6.625 x 10-34 Js x 7

8

10x34.4

10x0.3

= 4.58 x 10-19 J มพลงงานตางกนเทากบ 4.85 x 10-19 J - 4.58 x 10-19 J = 2.7 x 10-20 J ตวอยางเพมเตมท 2 ธาตชนดหนงเมอนาไปเผาไฟ จะเกดเสนสเปกตรมหลายเสน จากการทดลองพบวาเสนสเปกตรมเสนหนงมพลงงาน 4.0 x 10-19 J สเปกตรมเสนดงกลาวจะมความยาวและความถคลนเปนเทาใด และมสอะไร

วธทา E = hc

E = 4.0 x 10-19 J h = 6.625 x 10-34 Js c = 2.998 x 108 m/s

จะได 4.0 x 10-19 J = 6.625 x 10-34 Js x

810x998.2

= 497 x 10-9 m= 497 nm

จาก = c

= 9

8

10x497

10x998.2

= 6.04 x 1014 Hz สเปกตรมเสนนมความยาวคลน 497 นาโนเมตร ความถ 6.04 x 1014 Hz และตรงกบสเขยว (ชวงสเขยวอยระหวางความยาวคลน 490 - 580 นาโนเมตร) ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ใบความรท 4 เสนสเปกตรมของธาตและการแปลความหมาย/แบบจาลองอะตอมของโบร

******************************************************** เนองจากแบบจาลองอะตอมทโปรตอนและนวตรอนรวมกนเปนนวเคลยส มอเลกตรอนวงอยรอบ ๆ นวเคลยส สามารถอธบายไดแตเพยงวาทาไมโปรตอนจงอยรวมกนเปนนวเคลยสได แตไมสามารถอธบายไดวาทาไมอเลกตรอน ซงมประจเปนลบเหมอนกน จงอยรวมกนรอบ ๆ นวเคลยส ไมไดบอกใหทราบวาอเลกตรอนทงหมดเหลานนอยในทเดยวกน หรอแบงเปนกลม ๆ อยางไร และเมอมการศกษาการเผาสารซงพบวาสารประกอบทมโลหะตางกน จะใหสของเปลวไฟตางกน แบบจาลองน ไมสามารถอธบายไดวา สของเปลวไฟนนเกดขนจากอะไร เกดขนไดอยางไร โดยเฉพาะอยางยงเมอศกษาสของเปลวไฟดวยสเปกโตรสโคปซงจะเหนเปนเสนสเปกตรมทมสตาง ๆ กน แบบจาลองนกไมสามารถอธบายไดเชนเดยวกน แสดงวาแบบจาลองนยงไมถกตอง นกวทยาศาสตรจงพยายามสรางแบบจาลองอะตอมใหมขนมาเพอใชอธบายปรากฎการณดงกลาว การศกษาสของเปลวไฟทเกดขนจากการเผาสาร มกจะเหนเพยงสเดยว เหนเดนชดทสด ทงนเนองจากตาของคนไมสามารถทจะแยกสทมความถตาง ๆ ทผสมกนอยออกจากกนได จงมองเหนเฉพาะสทเดนชดทสดเพยงสเดยวเทานน แตถาใชสเปกโตรสโคปซงเปนเครองมอแยกสตามความถของแสง จะเหนเปนเสนทมสตาง ๆ กนหลายเสนซงเรยกวา เสนสเปกตรม แตอยางไรกตามเสนสเปกตรมทเดนชดมความเขมของสมากทสด จะเปนสเดยวกบทมองเหนดวยตาเปลา

ตารางท 1 สของเปลวไฟทเกดจากการเผาสารเมอดดวยตาเปลา และใชเสนสเปกโตรสโคป สารประกอบ สของเปลวไฟเมอดดวยตาเปลา สของเสนสเปกตรมทเดนชดทสด

Nacl เหลอง เหลองเขม

Na2SO4 BaCl2 BaCO3 CaCl2 CaSO4

เหลอง เขยวอมเหลอง เขยวอมเหลอง

แดงอฐ แดงอฐ

เหลองเขม เขยว เขยว

แดงเขม แดงเขม

CuCO3 CuSO4 MgCl2 MgCO3 LiCl Li2CO3

เขยว เขยว มวง มวง

แดงเลอดนก แดงเลอดนก

เขยวเขม เขยวเขม มวงเขม มวงเขม แดงเขม แดงเขม

ถาเปรยบเทยบเทยบสเปกตรมของสารตาง ๆ กบสเปกตรมของแสงอาทตยและแสงจากหลอดฟลออเรสเซนตจะพบวา สเปกตรมทเหนจากแสงอาทตยมลกษณะเปนแถบทมแสงสเจดสตอเนองกน ทเรยกวาสเปกตรมแบบตอเนอง เนองจากเปนสเปกตรมของแสงขาวนนเอง สาหรบสเปกตรมของหลอดฟลออเรสเซนตนอกจากจะเหนเปนแถบสแบบสเปกตรมของแสงขาวเปนพนแลว ยงมเสนปรากฏในแถบสเปกตรมดวย เรยกวาเสนสเปกตรม ซงจดวาเปนสเปกตรมทไมตอเนอง เสนสเปกตรมทเหนเดนชดทสดคอ เสนสเขยว ซงเกดจากธาตทบรรจไวในหลอด ฟลออเรสเซนตนน ลกษณะของเสนสเปกตรมจะคลายกบสเปกตรมทไดจากการเผาสาร สาหรบลกษณะของสเปกตรมหรอสของเปลวไฟของสารประกอบตาง ๆทเกดจากโลหะชนดเดยวกน จากตารางทผานมาจะเหนไดวาไดเสนสเปกตรมทมลกษณะเหมอนกนทกประการทงตาแหนงของเสนสเปกตรม ถงแมวาจะมอโลหะตางชนดกน เชน กรณของสารประกอบโซเดยม ไมวาจะเปน NaCl หรอ Na2SO4 จะเหนสของเสนสเปกตรมทเดนชดทสดเปนสเหลองเขมเหมอนกน อยในตาแหนงเดยวกน หรอมความยาวคลนเทากน ทง ๆ ทสารประกอบโซเดยมนนมอโลหะตางกนคอ Cl- กบ SO4

2- แสดงวาเสนสเปกตรมนนไมไดเกดจากอโลหะ ถาเกดจากอโลหะสหรอตาแหนงของเสนสเปกตรมของ NaCl หรอ Na2SO4

ควรจะตางกน สาหรบสเปกตรมของสารประกอบคอน ๆ ทมโลหะชนดเดยวกนและมอโลหะตางชนดกนกใหผลเชนเดยวกนกบกรณของเกลอโซเดยม คอใหสเปกตรมเหมอนกนเมอเปนโลหะชนดเดยวกน ดงนนจงสรปไดวา “ เสนสเปกตรมเกดจากอะตอมสวนทเปนโลหะไมไดเกดจากสวนทเปนอโลหะ” เนองจากลกษณะของเสนสเปกตรมขนอยกบชนดของโลหะ โลหะชนดเดยวกนจะใหสเปกตรมทเหมอนกน และแตกตางจากสเปกตรมของโลหะอน ๆ สเปกตรมของธาตชนดตาง ๆ จะมลกษณะเปนแบบเฉพาะตวทงตาแหนง ส และจานวนเสนสเปกตรม สเปกตรมของโลหะชนดเดยวกน ไมวาโลหะนนจะเปนธาตบรสทธหรออยในรปของสารประกอบจะตองมลกษณะ

เหมอนกน คอ มจานวนเสนของสเปกตรมเทากน แตละเสนมสเดยวกน(อาจจะมความเขมของสไมเทากน) และตาแหนงของเสนสเปกตรมแตละเสนจะตองเหมอนกน ถาเปนสเปกตรมของโลหะตางชนดกนจะตองไมเหมอนกน สของสเปกตรมและจานวนเสนของสเปกตรมอาจจะเหมอนกน แตตาแหนงของเสนสเปกตรมทงหมดจะตองไมตรงกน การทสเปกตรมเปนสมบตเฉพาะตวของธาต ทาใหสามารถนามาใชในแงของการวเคราะหชนดของธาตได เชน หาสเปกตรมของแรตาง ๆ เปรยบเทยบกบสเปกตรมของธาตทรจกดอยแลวเพอจะวเคราะหไดวาแรนนประกอบดวยธาตอะไรบาง สเปกตรมไมไดเกดเฉพาะจากโลหะอยางเดยวเทานน อโลหะกใหสเปกตรมเชนเดยวกน แตเปนสเปกตรมทเกดในชวงของความถทตาเรามองไมเหน

โดยสรป

1. สเปกตรมเปนสมบตเฉพาะตวของธาตชนดหนง ๆ ซงแตกตางจากธาตชนดอน 2. สเปกตรมของโลหะชนดเดยวกนไมวาจะอยในรปของธาตบรสทธหรอในสารประกอบจะตองมลกษณะเหมอนกนทงหมด ทงในแงของจานวนเสนสเปกตรม สของแตลเสน (อาจจะมสเขมไมเทากน) และ ตาแหนงของเสนสเปกตรม 3. สเปกตรมของโลหะตางชนดกนจะไมเหมอนกน สของเสนสเปกตรมอาจจะเหมอนกน แตตาแหนงของเสนสเปกตรมทงหมดจะไมตรงกน สาหรบสารทอยในสถานะกาซกสามารถจะตรวจดสเปกตรมไดเชนเดยวกนแตไมใชโดยการนากาซมาเผาเหมอนกบสเปกตรมของโลหะ สเปกตรมของกาซจะทาไดโดยนากาซมาบรรจในหลอดแกวโดยทาใหมความดนตาและใชพลงงานจากไฟฟาแทนการเผา เมอกาซทบรรจอยในหลอดแกวไดรบพลงงานเพยงพอกจะเเรองแสงใหสตาง ๆ ซงตาของคนไมสามารถจะบอกความแตกตางได แตถาใชสเปกโตรสโคปสองดจะเหนเปนเสนสเปกตรม เชนเดยวกบสเปกตรมของโลหะ กาซแตละชนดจะใหเสนสเปกตรมทมลกษณะไมเหมอนกน เมอเผาสารประกอบของโลหะตางชนดกน จะไดเปลวไฟทมสตาง ๆ กน สของเปลวไฟกคอสวนของพลงงานทแปรรปมาจากพลงงานความรอนนนเอง แสดงวาหลงจากทสารไดรบความรอนเขาไปแลวจะมการคายพลงงานสวนหนงออกมาในรปของแสง การทมสตาง ๆ กนแสดงวา พลงงานทคายออกมานนมคาไมเทากน พลงงานทคายออกมาจะมสวนเกยวของกบความถหรอความยาวของคลนแสง ตามกฎของ พลงค ถาโลหะนนคายพลงงานออกมาตรงกบความถของแสงสใด จะเหนเปนเปลวไฟสนน ซงถาดจากสเปกโตรสโคปกจะเหนเปนเสนสสเปกตรมทมสเดยวกน เนองจากการเกดสเปกตรมขนอยกบพลงงานทคายออกมา ดงนนการอธบายการเกด

สเปกตรมจงตองตงอยบนสมมตฐานทวา อะตอมจะตองมโครงสรางทสามารถรบพลงงานและคายพลงงานได นกวทยาศาสตรไดพยายามนาแบบจาลองอะตอมตาง ๆ ทมอยมาอธบายการเกดสเปกตรมของธาตแตปรากฏวาไมไดผล จงคดวาแบบจาลองอะตอมทมอยนนยงไมถกตอง จะตองมการแกไขและเพมเตมบางสงบางอยางเพอใหนามาอธบายการเกดสเปกตรมได ดงนนจงสรางสมมตฐานเกยวกบแบบจาลองอะตอมขนมาใหม โดยใหโครงสรางของอะตอมสามารถทจะมการถายเทพลงงานได คอใหอะตอมเปนทรงกลมประกอบดวยโปนตอนและนวตรอนรวมกนเปนนวเคลยส และมอเลกตรอนโคจรอยรอบ ๆ ซงอเลกตรอนทโคจรอยนกระจายอยรอบ ๆ นวเคลยสในระยะตางกน

รปท 1 โครงสรางอะตอมแบบใหม

ทงนกาหนดลกษณะของอะตอมดงน 1. อะตอมแบงออกเปนชน ๆ แตละชนจะมพลงงานประจาตวซงมคาไมเทากน เรยกวามระดบพลงงานตางกน ระดบพลงงานภายในอะตอมจะเปนชวง ๆ ไมตอเนอง 2. ระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสมากทสดจะมพลงงานตาสด (คอ E1) เรยกวาระดบพลงงานในสภาวะพน (ground state) ระดบพลงงานทตออกไปอก คอ E2 , E3 , . …. จะมพลงงานสงขนตามลาดบ ระดบพลงงานนอกสดของอะตอมจะมพลงงานในตวสงสด

รปท 2 การจดระดบพลงงานรอบ ๆ นวเคลยส

ตงแตระดบพลงงาน E2 , E3 , . …. เปนตนไป เรยกรวมกนวา Allowed state energy

3. อเลกตรอนทกระจายอยในระดบพลงงานเหลานจะตองมพลงงานในตวเทากบพลงงานประจาระดบนนจงจะอยในสภาวะทเสถยร และสามารถโคจรอยในระดบพลงงานนนได เชน อเลกตรอนทจะโคจรอยในระดบพลงงานท 1 จะตองมพลงงาน E1 และอเลกตรอนทอยในระดบพลงงานท 2 จะตองมพลงงาน E2 เปนตน ถาอเลกตรอนมพลงงานเปลยนไปจากเดมจะทาใหไมเสถยร เชน อเลกตรอนทอยในระดบ E1 เมอไดรบพลงงานเพมขนจะขนไปอยในชน E2 , E3 , . …. ซงทาใหไมเสถยร อเลกตรอนจะพยายามกลบมาสตาแหนงเดมเพอใหอยในภาวะทเสถยรตามเดม โดยการคายพลงงานสวนหนงออกมา พลงงานของอเลกตรอนซงเคลอนทอยรอบ ๆ นวเคลยสประกอบดวยพลงงานศกย (คอพลงงานทเกดจากแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบโปรตอนหรอกบนวเคลยส) และพลงงานจลน (คอ พลงงานทเกดจากการเคลอนทของอเลกตรอน) ปกตอนภาคทกชนดจะอยในภาวะทเสถยรทสดเมอมพลงงานในตวตาทสด ดงนนในภาวะปกตผลรวมของพลงงานทงสองชนดของอเลกตรอนจะมคาตาสด (สมมตใหเปน E1 ซงกคอ พลงงานในสภาวะพน (ground state) นนเอง เมอมการเผาหรอใสไฟฟาเขาไป อะตอมจะไดรบพลงงานเพมขน ทาใหอเลกตรอนมพลงงานสงขนสมมตใหเปน E2 ซงเรยกวา “ภาวะกระตน Excited state energy” ในภาวะทถกกระตนนอเลกตรอนจะมพลงงานสงขน ซงทาใหไมเสถยร และจะพยายามปรบตวกลบเขาสภาวะปกตดงเดม ในการกลบคนสภาวะปกต หรอภาวะพนตามเดมนน อเลกตรอนจะตองคายพลงงานออกมาเทากบพลงงานทไดรบเขาไป พลงงานจานวนนจะเทากบผลตางของพลงงานทงสองระดบ ถาให E = พลงงานทอเลกตรอนคายออกหรอไดรบเขาไป E = E2 - E1 พลงงานทอเลกตรอนคายออกมา (E) สวนใหญจะปรากฏอยในรปของพลงงานแสงเปนเสนสเปกตรมทมสตาง ๆ ถาอเลกตรอนมเพยง 2 ระดบพลงงาน เสนสเปกตรมควรจะปรากฏเปนเสนเดยว แตจากการพจารณาเสนสเปกตรมของธาตตาง ๆ พบวามมากกวา 1 เสน ทงสน เชน ธาตไฮโดรเจนมเสนสเปกตรมทปรากฏอยในชวงแสงขาวถง 4 เสนดวยกน แตละเสนจะมความยาวคลนและพลงงานแตกตางกนดงในตารางตอไปน

ตารางท 1 ความยาวคลนและพลงงานของเสนสเปกตรมของไฮโดรเจน สของสเปกตรม ความยาวคลน (nm) พลงงาน (kJ)

สมวง สน าเงน สน าทะเล สแดง

410 434 486 656

4.84 x 10-22 4.57 x 10-22 4.08 x 10-22 3.02x 10-22

พลงงานทอเลกตรอนดดและคายออกในการเปลยนระดบพลงงาน

การทไฮโดรเจนมเสนสเปกตรมใหเหนถง 4 เสน แสดงวาภายในอะตอมจะตองไมไดมเพยง 2 ระดบพลงงานเทานน แตคงจะตองมมากกวาน และการทความยาวคลนไมไดตอเนองกน แสดงวาระดบพลงงานในอะตอมควรจะเปนชวงไมตอเนองกน ระดบพลงงานในอะตอมของไฮโดรเจนจะตองมระดบท 3, 4, …. ตอ ๆ ไป ซงจดเปนชน ๆ การทมระดบพลงงานหลายระดบ แตละระดบมคาพลงงานคงททาใหผงตางระหวางระดบพลงงานคหนง ๆ มคาไมเทากน แตเปนคาคงทเชน E = E2 - E1 E = E3 - E1 E = E4 - E1 เมอผลตางของระดบพลงงานคหนง ๆ มคาไมเทากน พลงงานในสวนทคายออกมาจงมคไมเทากนดวย ทาใหมเสนสเปกตรมไดหลายเสน ดงในรปตอไปน

รปท 3 แผนผงการเปลยนแปลงระดบพลงงานของอเลกตรอนของไฮโดรเจน

เมออเลกตรอนไดรบพลงงานเพมขนจนขนไปอยในระดบ E2 , E3 ,E4 และ E5 ซงอยในภาวะทถกกระตนทาใหไมเสถยร อเลกตรอนจะปรบตวใหกลบสภาวะทเสถยรตามเดม โดยเปลยนจากระดบพลงงานสงาสระดบพลงงานตา (E1) ซงจะคายพลงงานออกมาจานวนหนง เชน อเลกตรอนจากระดบ E2 กลบสระดบ E1 จะคายพลงงาน E1 ตามกฎของพลงค พลงงานจะมสวนสมพนธกบความยาวคลนคอ

E1 = E2 - E1 = h1 = 1

hc

ดงนนพลงงานสวนทคายออกมาจะมความยาวคลน 1 ซงในกรณของไฮโดรเจน 1 = 656 nm ตรงกบความยาวคลนของสแดง จงทาใหเหนเปนเสนสเปกตรมสแดงท 656 nm

สาหรบการเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนจาก E3 ,E4 และ E5 มายง E1 ก

เชนเดยวกน E2 = E3 - E1 = h2 = 2

hc

E3 = E3 - E1 = h3 = 3

hc

E4 = E4 - E1 = h4 = 4

hc

2 จะตรงกบความยาวคลน 486 nm ซงเปนความถของสน าทะเล 3 จะตรงกบความยาวคลน 434 nm ซงเปนความถของสน าเงน 4 จะตรงกบความยาวคลน 410 nm ซงเปนความถของสแดง ดงนน จงเหนสเปกตรมรวม 4 เสนดงกลาว สของเสนสเปกตรมเสนตางๆ จะมความเขมไมเทากน ซงแสดงวาการเปลยนแปลงพลงงานในระดบตาง ๆ มความถในการเกดไมเทากน การเปลยนแปลงพลงงานในชวงใดทเกดมาก ความเขมขนของสกจะเขมมาก เชน ถาสน าทะเลมความเขมของสเหนเดนชดทสดแสดงวาการเปลยนแปลงทระดบ E2 (ความยาวคลน 486 nm) มความถมากทสด เมอพจารณาผลตางระหวางพลงงานของระดบพลงงานคทอยถดกนของเสนสเปกตรมของไฮโดรเจนจะไดดงน

ตารางท 2 ผลตางระหวางพลงงานของเสนสเปกตรมของไฮโดรเจน สของสเปกตรม ความยาวคลน (nm) พลงงาน (kJ) ผลตางระหวางพลงงานของเสน

สเปกตรมทอยถดกน(kJ) สมวง สน าเงน สน าทะเล สแดง

410 434 486 656

4.84 x 10-22 4.57 x 10-22 4.08 x 10-22 3.02 x 10-22

2.7 x 10-23 4.9 x10-23

10.6 x 10-23

จะเหนวาผลตางระหวางพลงงานของระดบพลงงานคทอยถดกนแตละค ไมเทากน ความแตกตางจะนอยลงตามลาดบ เมอระดบพลงงานสงขน กลาวไดวา ระดบพลงงานยงสงขนจะยงอยชดกนมากขน ดงในรปท 3 แสดงแผนผงการเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนของไฮโดรเจน

สรปการเกดสเปกตรมของธาต 1.เมออเลกตรอนไดรบพลงงานจะถกกระตนใหขนไปอยระดบพลงงานทสงขนซงจะขนไปอยระดบใดยอมขนกบปรมาณพลงงานทไดรบ การทอเลกตรอนขนไปอยในระดบพลงงานทสงขนนทาใหอะตอมไมเสถยร อเลกตรอนจงพยายามกลบมาสระดบพลงงานเดมโดยการคายพลงงานออกมาคาหนงซงเทากบพลงงานทไดรบเขาไป พลงงานสวนใหญทคายออกมาจะอยในรปของคลนแมเหลกไฟฟา ซงปรากฎเปนเสนสเปกตรมทมสตาง ๆ กนในสเปกโตรสโคป

2.การเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนไมจาเปนจะตองเกดระหวางระดบพลงงานทอยถดกน แตอาจจะมการเปลยนขามขนได จงเปนเปนเหตใหมเสนสเปกตรมเกดขนไดหลายเสน 3.ภายในอะตอมซงแบงพลงงานเปนชน ๆ ระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสจะตาทสด และระดบพลงงานทอยหางจากนวเคลยสมากทสดจะมคาสงสด ดงนนอเลกตรอนในระดบพลงงานตาจงอยใกลนวเคลยสมากกวาอเลกตรอนในระดบพลงงานสง 4.ระดบพลงงานตา ๆ จะอยหางกน และเมอสงขนจะอยชดกนมากขน กลาวคอ ยงระดบพลงงานสงขนจะยงอยชดกนมากขน 5.เสนสเปกตรมของธาต แสดงใหเหนถงพลงงานทอเลกตรอนคายออกมาเมอเปลยนจากระดบพลงงานสงมาสระดบพลงงานทตากวา

แบบจาลองอะตอมของนลส โบร

จากผลการศกษาเกยวกบการเกดสเปกตรมของธาต ทาใหนกวทยาศาสตรพบวาอเลกตรอนทอยรอบ ๆ นวเคลยสนนไมไดอยรวมกนทเดยวทงหมด แตแบงออกเปนกลม ๆ ตามระดบพลงงานตาง ๆ รอบ ๆ นวเคลยส ในป พ.ศ. 2428 - 2505 นลส โบร (Neils Bohr) นกวทยาศาสตรชาวเดนมารก ไดนามาสรางแบบจาลองอะตอมขนใหมโดยขยายจากแบบจาลองรทเทอรฟอรด ดงน “อะตอมประกอบดวยโปรตอนและนวตรอนรวมเปนนวเคลยส และมอเลกตรอนในอะตอมวงอยรอบ ๆ นวเคลยสเปนชน ๆ ตามระดบพลงงาน” แบบจาลองอะตอมของนลส โบร ทาใหเหนมโนภาพเกยวกบการจดอเลกตรอนภายในอะตอมรอบ ๆ นวเคลยส ซงเปรยบเสมอนกบระบบสรยจกรวาลทมดวงอาทตยอยตรงกลาง และมดาวเคราะหโคจรอยรอบ ๆ นอกจากน โบรยงไดกาหนดสญลกษณสาหรบพลงงานชนตาง ๆ ไวดวย โดยใหระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสทสดเปนชน K และชนถด ๆ ไปเปนชน L, M, N , …… ซงในปจจบนเรยกระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสทสดวาระดบพลงงาน n = 1 และระดบพลงงานถดออกไปเปน n = 2 , n = 3 ,n = 4,…. ตามลาดบ

รปท 4 แบบจาลองอะตอมของโบร

แบบจาลองอะตอมของโบรใชอธบายการเกดสเปกตรมไดด โดยเฉพาะกบอะตอมทมขนาดเลก และมอเลกตรอนเดยว เชน อะตอมของไฮโดรเจน แตสามารถใชอธบายอะตอมทมหลาย ๆ อเลกตรอนได นอกจากนยงทราบแตเพยงวาอเลกตรอนภายในอะตอมมการจดเรยงตวเปนชน ๆ ตามระดบพลงงาน แตไมทราบวาในแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนอยกตว จงไดมการคนควาเพมเตม และเปนเหตใหแบบจาลองอะตอมเปลยนไปอก

แบบจาลองอะตอมแบบกลมหมอก

Heisenberg

เนองจากทฤษฎอะตอมของโบร ไมสามารถอธบายโครงสรางของอะตอมไดทกธาต , โดยอธบายไดดเฉพาะธาตไฮโดรเจน หรอธาตเลก ๆ เชน He , Li , ซงถกอออนไนซจนเหลออเลกตรอนตวเดยว เมอเดอบรอยล เสนอสมมตฐานวา อนภาคสามารถแสดงสมบตเปนคลน และทดลองไดดวยวาอเลกตรอนสามารถเลยวเบนไดจรง

นกฟสกสหลายคนจงพยายามสรางทฤษฎขนมาเรยกวา กลศาสตรควอนตม (Quantum Mechanics) ซงเปนหวใจ ของฟสกสสมยใหม (Modern Physics) นกฟสกสในกลศาสตรทสาคญคอ ชเรอดงเจอร (Schro”dinger และ Heisenberg)

ภาพแสดงกลมหมอกของการพบอเลกตรอน

*****************************************************************************

ใบความรท 5 เรอง การจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม

******************************************************** การทาใหอเลกตรอนตวแรกหลดออกจากอะตอมจะใชพลงงานนอยทสด เนองจากอเลกตรอนและนวเคลยสมแรงดงดดซงกนและกน การทอเลกตรอนตวแรกถกดงดดออกงายทสดแสดงวามแรงยดเหนยวนอยทสด จากการศกษาพบวาแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยสขนอยกบปจจยหลายอยาง เชน ก. ขนกบระยะทางระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส หรอขนาดของอะตอม ถาอเลกตรอนอยใกลนวเคลยสมากจะมแรงดงดดมาก ทาใหมคาพลงงานไอออไนเซชนสง ในทางตรงกนขามถาอเลกตรอนอยหางจากนวเคลยสมาก แรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยสจะนอย ทาใหมพลงงานไออไนเซชนตา ข. ขนกบจานวนประจบวกในนวเคลยส ซงถานวเคลยสมประจบวกมาก แรงดงดดจะมาก ทาใหม IE สง และถานวเคลยสมประจนอย แรงดงดดจะนอย ทาให IE ตา นอกจากนยงมปจจยอน ๆ อก ซงจะกลาวถงตอไป อยางไรกตามพบวาปจจยทสาคญทสดในการพจารณาคาของ IE คอระยะระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส ถาอเลกตรอนหลาย ๆ ตวในอะตอมอยหางจากนวเคลยสดวยระยะทางใกลเคยงกน อเลกตรอนเหลานนจะมคา IE ใกลเคยงกนดวย แตถาอเลกตรอนอยหางจากนวเคลยสตางกนอยางเหนไดชด คา IE จะแตกตางกนมาก โดยอาศยคา IE ลาดบตาง ๆ ของธาต และตงสมมตฐานวาอเลกตรอนภายในอะตอมจะจดเรยงตวเปนกลม ๆ ดวย จานวนอเลกตรอนในแตละกลมแตกตางกนออกไป แตละกลมจะอยหางจากนวเคลยสไมเทากน (อเลกตรอนในกลมเดยวกนจะอยหางจากนวเคลยสพอ ๆ กน) กลมทอยใกลนวเคลยสมากทสดจะมคา IE สงสดและกลมทอยหางจากนวเคลยสมากทสดจะม IE นอยทสด ดงนนเมอนาธาตแตละชนดมาหา IE ลาดบตาง ๆ ตงแตลาดบหนงจนถงลาดบสดทาย แลวนาคา IE มาจดเปนกลม จะทาใหทราบวาแตละกลมควรจะมอเลกตรอนกตว ดงนนการศกษาพลงงานไอออไนเซชนลาดบตาง ๆ ของธาต จงทาใหทราบวาในระดบพลงงานตาง ๆ ควรจะมอเลกตรอนไดกตว ซงเปนสวนทตอจากการศกษาสเปกตรมของอะตอม เพราะสเปกตรมทาใหทราบแตเพยงวาภายในอะตอมจะมการแบงระดบพลงงานเปนชน ๆ ในแตละชนจะมอเลกตรอนบรรจอย แตไมทราบวาแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนกตว พจารณาตวอยาง พลงงานไอออไนเซชนของธาตแมกนเซยม ซงม 12 ลาดบ (เพราะม 12 อเลกตรอน) ดงน

ตารางท 1 คา IE1 - IE12 ของธาต Mg พลงงานไอออไนเซชนลาดบท พลงงาน (MJ/mol)

1 2

0.744 1.475

3 4 5 6 7 8 9 10

7.739 10.547 13.636 18.001 21.710 25.663 31.650 35.469

11 12

170.003 189.379

จะเหนไดวา 1.คา IE1 และ IE2 มคาใกลเคยงกน 2.คา IE3 ถง IE10 มคาใกลเคยงกน แตตางจาก คา IE1 และ IE2 อยางเหนไดชด 3. คา IE11 และ IE12 มคาใกลเคยงกน แตตางจาก IE10 อยางเหนไดชด การทจดวาอเลกตรอนทมพลงงานไอออไนเซชนใกลเคยงกนอยในกลมเดยวกน หรออยหางจากนวเคลยสพอ ๆ กน กเนองจากพจารณาแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส เมออเลกตรอนอยในกลมเดยวกนแสดงวาอยหางจากนวเคลยสพอ ๆ กน ดงนนจงถกนวเคลยสดงดดไวดวยแรงพอ ๆกน การทจะดงอเลกตรอนในกลมนออกจงควรใชพลงงานใกลเคยงกน ทาใหอเลกตรอนในกลมเดยวกนมพลงงานไอออไนเซชนไมแตกตางกนมากนก แตถาเปนอเลกตรอนทอยตางกลมกน จะอยหางจากนวเคลยสตางกนมาก ทาใหถกดงดดจากนวเคลยสตางกนดวย คาพลงงานไอออไนเซชนจงตางกนมาก คา IE1 และ IE2 ใกลเคยงกน แสดงวาเปนอเลกตรอนอยในกลมเดยวกน เนองจากมคาพลงงานไอออไนเซชนตาทสด จงควรเปนกลมของอเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสมากทสด

คา IE3 - IE10 ใกลเคยงกน แสดงวาเปนอเลกตรอนอยในกลมเดยวกน แตเนองจากพลงงานตางจาก IE2 อยางเหนไดชด แสดงวาจะตองเปนคนละกลม เนองจากมพลงงานไอออไนเซชนสงขน ดงนนจงควรจะเปนกลมทอยใกลนวเคลยสมากยงขน สาหรบกลมสดทาย IE11 และ IE12 มคาใกลเคยงกนเชนเดยวกนกลมอน ๆ และแตกตางจาก IE10 อยางเหนไดชด เนองจากมพลงงานไอออไนเซนสงสด จงจดเปนกลมของอเลกตรอนทอยใกลนวเคลยสมากทสด โดยอาศยคา IE1 - IE12 ของธาต Mg จงทาใหสามารถจดกลมของอเลกตรอนไดเปน 3 กลม โดยมระยะทางหางจากนวเคลยสมากขนตามลาดบ คอกลมท 1 ( 2 อเลกตรอน ) กลมท 2 (8 อเลกตรอน) และกลมท 3 ( 2 อเลกตรอน) สาหรบการจดกลมอเลกตรอนของธาตอน ๆ กอาศยคา IE เชนเดยวกน นอกจากจะพจารณาตวเลขแสดงคา IE ดงตวอยางของ Mg แลว ยงอาจจะพจารณาจากกราฟไดโดยนาคา IE ลาดบตาง ๆ มาเขยนกราฟรวมกบพลงงานไอออไนเซชน ใหพลงงานไอออไนเซชนเปนแกนตง และลาดบทของพลงงานไอออไนเซชนเปนแกนนอน ดลกษณะของกราฟทเปนชวง ๆ จะเหนความแตกตางของ IE ลาดบตาง ๆ อยางชดเจน ซงจะนามาแบงกลมของอเลกตรอนได พจารณาตวอยางของธาต Al, Si, P, S, Cl, และ Ar ดงน

รปท 1 ความสมพนธระหวาง IE กบลาดบทของ IE ของธาตตาง ๆ

จากลกษณะของกราฟจะพบวา 1.ธาต Al ม IE จดได 3 กลม กลมท 1 ม IE 2 ลาดบ หรอมอเลกตรอน 2 ตว และคา IE สงสด กลมท 2 ม IE 8 ลาดบ หรอมอเลกตรอน 8 ตว และคา IE รองลงมา กลมท 3 ม IE 3 ลาดบ หรอมอเลกตรอน 3 ตว และคา IE ตาสด

แสดงวาควรจะมอเลกตรอน 2 ตว อยใกลนวเคลยสมากทสด จงมคา IE สงสด และควรจะมอเลกตรอน 3 ตว ทอยในกลมเดยวกน และอยหางจากนวเคลยสมากทสด จงมคา IE ตาสดทงกลม ทาใหสามารถสรปการจดเรยงอเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสนอยไปหามากไดดงน 2, 8, 3 2. ธาต Si มการจด IE 3 กลม ทมคาใกลเคยงกน เชนเดยวกบ Al คอ กลมท 1 ม IE 2 ลาดบ หรอมอเลกตรอน 2 ตว และคา IE สงสด กลมท 2 ม IE 8 ลาดบ หรอมอเลกตรอน 8 ตว และคา IE สงรองลงมา กลมท 3 ม IE 4 ลาดบ หรอมอเลกตรอน 4 ตว และคา IE ตาทสด การอธบายการจดเรยงอเลกตรอนจะเหมอนกบธาต Al คอ อเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสตามลาดบควรจะเปน 2, 8, 4 3.สาหรบธาตอนๆ ทเหลอกเชนเดยวกน สามารถจดกลม IE หรอกลมของอเลกตรอนได

ธาต อเลกตรอน กลมท 1 กลมท 2 กลมท 3

P S Cl Ar

2 2 2 2

8 8 8 8

5 6 7 8

จะเหนไดวา 20 ธาตแรก การจดกลมของอเลกตรอนภายในอะตอมตามคาของพลงงานไอออไนเซชน ซงแตกตางกนอยางเหนไดชดจะเปนดงน ก. อเลกตรอนกลมแรกทอยใกลนวเคลยสทสด มไดมากทสด 2 ตว ข. อเลกตรอนกลมทสอง ซงอยถดออกมามไดมากทสด 8 ตว ค. อเลกตรอนทเหลอจะอยกลมท 3 ซงถาเหลอมากกวา 8 จะจดเปนกลมท 4

ระดบพลงงานของอเลกตรอนในอะตอม

จากความรเกยวกบการเกดสเปกตรมของธาต ทาใหทราบวาภายในอะตอมมการแบงเปนชนๆ รอบๆ นวเคลยส แตละชนเรยกวาระดบพลงงาน ในแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนบรรจอย จากการศกษาพลงงานไอออไนเซชนลาดบตางๆ ของธาต ทาใหทราบวาในแตละระดบพลงงานจากนวเคลยสออกมาควรจะมอเลกตรอนไดระดบละเทาใด ดงเชนกรณของ 12Mg ทาใหทราบวามการจดอเลกตรอนออกเปน 3 กลม กลมท 1 ม IE สงสด (IE12 และ IE11) มอเลกตรอนอยใกลนวเคลยสทสด ใหเปนระดบพลงงานท 1 (n=1) มพลงงานในตวตาทสด

กลมท 2 ม IE ลดลงมา (IE10- IE3) ม 8 อเลกตรอน อยหางจากนวเคลยสออกมาถดจากกลมท 1 กลมนใหอยในระดบพลงงานท 2 (n=2) มพลงงานในตวสงขน กลมท 3 ม IE นอยทสด (IE1 และ IE2) ม 2 อเลกตรอน อยหางจากนวเคลยสมากทสด กลมนจดใหอยในระดบพลงงานท 3 (n=3) มพลงงานในตวสงทสด จากตวอยางของธาต Mg ทาใหทราบวาระดบพลงงานรอบๆ นวเคลยสนน ระดบท n=1 จะอยใกลนวเคลยสมากทสด และมพลงงานประจาระดบตาทสด ระดบพลงงานท n=2 จะอยหางจากนวเคลยสถดออกมา และมพลงงานประจาระดบสงขน ระดบสดทาย ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ใบความรท 6 เรอง ตารางธาต

********************************************************

1. การจดธาตเปนหมวดหม

จากการจดกลมสารประกอบคลอไรดและออกไซดของ 20 ธาตแรก จดกลมของ 20 ธาตแรกเรยงลาดบมวลอะตอมจากนอยไปหามากไดดงน

H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl K Ar Ca

รปท 1 การจดกลม 20 ธาตแรกเรยงตามมวลอะตอม

การจดเรยงกลมธาตตามมวลอะตอม ทาให Ar ไมไดอยในกลมเดยวกนกบ He และ Ne ซงทง He , Ne และ Ar เปนกาซเฉอย ควรจะอยในกลมเดยวกน ดงนนเพอใหเหมาะสมจงสลบท Ar ใหอยตรงกบ Ne และ ถาจดใหโลหะอยทางซาย อโลหะอยทางขวาและเรยงลาดบมวลอะตอม จะไดลกษณะการจดกลมของ 20 ธาตแรกอกแบบหนงดงน VII VIII

I II III IV V VI H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca

รปท 2 การจดธาต 20 ธาตแรก โดยใหโลหะอยทางซาย อโลหะอยทางขวา เมอพจารณาธาตแตละกลมทอยในแนวดงเดยวกน จะเหนไดวาแตละกลมมลกษณะและสมบตคลายกนมากทงในแงของสตร สถานะและสมบตกรดเบสเมอละลายนา ดงเชนกลมของ Li , Na และ K โดยวธการจดธาตดงกลาวนจงสามารถแบงธาตไดออกเปน 8 กลม หรอ 8 แนวดง ธาตทอยในชองแนวนอนเดยวกนเรยกวาอยในคาบเดยวกน และธาตทอยในชองแนวดงเดยวกน เรยกวาอยในหมเดยวกน การจดธาต 20 ธาตแรกดงกลาวจงเรยกวาตารางธาต

ขอทนาสงเกตอกอยางหนงจากตารางธาตคอธาตในกลมท I และ II หรอธาตหม I และ II แสดงสมบตตาง ๆ เปนโลหะอยางเหนไดชด สวนธาตในกลมท V , VI , VII และ VIII แสดงสมบตเปนอโลหะ กลมท III และ IV แสดงสมบตทงโลหะและอโลหะเรยกวา กงโลหะ

2. การจดธาตเปนหมวดหมของนกเคมยคตาง ๆ

ตารางธาต หมายถง ตารางทนกวทยาศาสตรสรางขนมา เพอแบงธาตทมสมบตเหมอนกนออกเปนหมวดหม เพอใหงายแกการศกษา โดยแบงธาตทงหมดออกเปนหมและคาบ ธาตทอยในแนวดงเดยวกน เรยกวา อยในหมเดยวกน ธาตทอยในแนวนอนเดยวกน เรยกวา อยในคาบเดยวกน ในระหวางป พ.ศ. 2346 ถง 2456 มธาตตาง ๆทพบในธรรมชาตประมาณ 63 ธาต ซงนกวทยาศาสตรไดพยายามจดธาตเหลานใหเปนหมวดหมหรอเปนตารางธาตโดยในชวงแรก ๆ นนแบงธาตออกเปนหมวดหมโดยอาศยสมบตของธาต ทงนไดจากการสงเกตพบความคลายคลงกนของสมบตของธาตเปนกลม ๆ ทาใหนามาจดเปนตารางธาตได เชนแบงกลมโดยอาศยสมบตเกยวกบโลหะ-อโลหะ โดยอาศยสมบตของความเปนกรด-เบสของธาต เปนตน ตอมาเมอหามวลอะตอมของธาตได จงใชมวลอะตอมมาประกอบในการจดตารางธาต จนในปจจบนจดตารางธาตโดยอาศยการจดเรยงอเลกตรอน

2.1 ตารางธาตของเดอเบอไรเนอร การจดตารางธาตนนเรมขนตงแตป พ.ศ. 2360 (ค.ศ. 1817) โดย โยฮนน เดอเบอไรเนอร (Johaun Dobereiner) นกเคมชาวเยอรมน ไดนาธาตตาง ๆ ทพบในขณะนนมาจดเรยงเปนตารางธาต โดยนาธาตตาง ๆ ทมสมบตคลายคลงกนมาจดไวในหมเดยวกน หมละ 3 ธาต เรยงตามมวลอะตอมจากนอยไปมากในแตละหม มวลอะตอมของธาตทอยกลางจะเปนคาเฉลยของมวลอะตอมของธาตทเหลออก 2 อะตอม เรยกวา กฎชดสาม (law of triads หรอ Dobereine’s law of triads)

ตารางท 1 มวลอะตอมเฉลยของธาตบางกลมตามกฎชดสาม ธาต มวลอะตอม มวลอะตอมของธาต

แถวท 1 และ 3 Li Na K Cl Br I

6.940 22.997 39.096 35.453 79.909 126.197

23.018

81.197

จะเหนไดวามวลอะตอมเฉลย มคาใกลเคยงกบมวลอะตอมของธาตกลาง อยางไร กตาม เมอนากฎดงกลาวไปใชกบธาตกลมอนทมสมบตคลายคลงกน ปรากฏวาไมมผลเทาทควร มวลอะตอมของธาตกลางไมเทากบคาเฉลยของมวลอะตอมของธาตทเหลอ กฎชดสามของ เดอเบอไรเนอรจงไมเปนทยอมรบกนในเวลาตอมา

2.2 ตารางธาตของนวแลนด

ในป พ.ศ. 2407 (ค.ศ. 1864) จอหน นวแลนด (John Newlands) นกเคมชาวองกฤษไดพบวาเมอนาธาตตาง ๆ มาเรยงลาดบตามมวลอะตอมจากนอยไปหามาก ใหเปนแถวตามแนวนอน สมบตของธาตจะมลกษณะคลายกนเปนชวง ๆ ซงลกษณะดงกลาวเกดขนทก ๆ ของธาตท 8 เชน ถาเรมตนจากธาต Li แลวเรยงลาดบมวลอะตอมไปถงธาตท 8 จะตรงกบ Na ซง Li และ Na มสมบตตาง ๆ คลายคลงกน

H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Cr Ti Mn Fe

รปท 3 ตวอยางการจดตารางธาตของนวแลนดส เรยกกฎการจดตารางธาตของนวแลนดสวา law of octaves หรอ Newlands’ law of octaves อยางไรกตาม กฎนไมเปนทยอมรบกน เนองจากไมสามารถอธบายวาเหตใดมวลอะตอมจงมาเกยวของกบความคลายคลงดงกลาว นอกจากกฎนแลวกยงใชไดกบ ธาตทมมวลอะตอมตา ๆ ไมเกน 20 ธาตแรกเทานน หลงจากนนจะใชกฎนไมได

2.3 ตารางธาตของเมนเดเลเอฟ ในระหวางป พ.ศ. 2412 - 2413 (ค.ศ. 1269 - 1270) ยลอส ไมเออร (Julius Meyer) นกวทยาศาสตรชาวเยอรมน และดมทร เมนเดเลเอฟ (Dimitri Mendelejev) นกวทยาศาสตรชาวรสเซยไดพบในเวลาใกลเคยงกนวาสมบตตาง ๆ ของธาตมสวนสมพนธกบมวลอะตอมของธาตกลาวคอ “ถาเรยงลาดบธาตตามมวลอะตอมจากนอยไปหามาก จะพบวาธาต ๆ ตาง จะมสมบตคลายคลงกนเปนชวง ๆ ” ซงเมเดเลเอฟไดตงเปนกฎเรยกวา “กฎพรออดก” หรอกฎตารางธาต (Periodic law) และพมพเผยแพรในป พ.ศ. 2412 กอนทไมเออรจะพมพเผยแพรครงหนง ดงนนเพอเปนเกยรตแกเมนเดเลเอฟ จงเรยกตารางนวา “ตารางพรออดกของเมนเดเลเอฟ” หรอตารางธาตของเมนเดเลเอฟ (Mendelejev’ s periodic table) เกณฑทสาคญทเมนเดเลเอฟใชคอ จดธาตทมสมบตคลายคลงกนทปรากฏซากนเปนชวง ๆ ใหอยในหมหรอในแนวตงเดยวกน และพยายามเรยงลาดบมวลอะตอมจากนอยไปหามาก ในกรณทเรยงตามมวลอะตอมแลวสมบตของธาตไมสอดคลองกน กพยายามจดใหเขาหมโดยปลอย

ใหชองวางเวนไวในตารางซงเมนเดเลเอฟคดวา ชองวางเหลานนนาจะเปนตาแหนงของธาตซงยงไมมการคนพบในขณะนน ในการจดตารางธาตนอกจากจะใชมวลอะตอมแลว ยงใชสมบตทางเคมและทางกายภาพของสารประกอบอน ๆ นอกเหนอจากสารประกอบคลอไรด และออกไซดมาประกอบการพจารณาดวย

หม 1 หม 2 หม 3 หม 4 หม 5 หม 6 หม 7 หม 8 1 H 1 2 Li 7 Be 9.4 B 11 C 12 N 14 O 16 F 19 3 Na 23 Mg 24 Al 27.3 Si 28 P 31 S 32 Cl 35.5 4 K 29 Ca 40 -44 Ti 48 V 51 Cr 52 Mn 55 Fe 56 Co 59

Ni 59 Cu 63 5 (Cu 63 ) Zn 65 -68 -72 As 75 Se 78 Br 80 6 Rb 85 Sr 87 ? Yt 88 Zr 90 Nb 94 Mo 96 -100 Ru104 Rh104

Pd105 Ag 108 7 (Ag 108) Cd 112 In 113 Sn 118 Sb 122 Te 125 1127 8 Cs 133 Ba 137 ? Di 138 ? Ce 140 - - - - 9 - - - - - - - - 10 - - ? Er 178 ? La 180 Ta 182 W 184 - Os 195 Ir197 11 (Au 199) Hg 200 Tl 204 Bi 208 Bi 208 - - Pt 198 Au 199 12 - - - - - U 240 - - -

- - รปท 4 ตารางพรออดกของเมนเดเลเอฟ

ชองวางทเวนไวคอตาแหนงของธาตทยงไมพบในสมยนน เนองจากตาแหนงของธาตในตารางธาตสมพนธกบสมบตของธาต ทาใหเมนเดเลเอฟสามารถทานายสมบตของธาตไวลวงหนาไดดวย โดยการศกษาสมบตเกยวกบจดหลอมเหลว จดเดอด ความถวงจาเพาะ และความรอนจาเพาะ รวมทงสมบตเกยวกบสารประกอบคลอไรด และออกไซด ตวอยางเชน ธาตทอยในชองวางใต Si เมนเดเลเอฟเรยกชอวาธาตเอคาซลคอน อก 15 ปตอมาคอในป พ.ศ. 2429 (ค.ศ. 1886) เคลเมนส วงคเลอร (Clemens Winkler) นกวทยาศาสตรชาวเยอรมนจงไดพบธาตนและเรยกชอวา ธาตเจอรเมเนยม (Ge) นนเอง

ตารางท 2 เปรยบเทยบสมบตของธาตเอคาซลคอนกบเจอรเมเนยมททานายและทคนพบ สมบต เอคาซลคอนทานายเมอ

พ.ศ. 2414 (ค.ศ. 1871) เจอรเมเนยมพบเมอ พ.ศ. 2429 (ค.ศ.1886)

มวลอะตอม สของธาต ความหนาแนน (g/cm3) จดหลอมเหลว (0C ) สตรของออกไซด ความหนาแนนของออกไซด (g/cm3) เมอผสมกบกรดไฮโดรคลอรก

72 เปนโลหะสเทา

5.5 สง

GeO2 4.7

ละลายไดเลกนอย

72.6 เปนโลหะสเทา

5.36 958

GeO2 4.70

ไมละลายท 25 0C

นอกจากธาตเอคาซลคอนแลว ยงมธาตอนทเมนเดเลเอฟ ไดเรยกชอไวลวงหนา เชน ธาตทอยใต B เรยกวา เอคาโบรอน

ธาตทอยใต Al เรยกวา เอคาอะลมเนยม ซงปจจบนกคอธาต Se และ Ga ตามลาดบ การจดตารางธาตของเมนเดเลเอฟนน ถายดหลกการเรยงตามมวลอะตอมจากนอยไปหามากอยางเครงครด จะทาใหธาตบางธาตซงมสมบตแตกตางกนอยในหมเดยวกน ทาใหตองยกเวนไมเรยงตามมวลอะตอมบางแตเมนเดเลเอฟกไมสามารถใหเหตผลไดวาเปนเพราะเหตใดจงตองเรยงลาดบธาตเชนนน เนองจากในขณะนนยงไมมความเขาใจเกยวกบโครงสรางของอะตอมไมมากพอ นกวทยาศาสตรตอ ๆ มาจงสรางแนวคดใหมวา ตาแหนงของธาตในตารางธาตไมควรขนอยกบมวลอะตอม แตควรจะขนอยกบสมบตอน ๆ ทสมพนธกบมวลอะตอม

2.4 ตารางธาตของเฮนร โมสลย เฮนร โมสลย (Henry Moseley) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษ ไดแกไขตารางธาตของเมนเดเลเอฟใหถกตองขน โดยการพบวาเลขอะตอม หรอจานวนโปรตอนในนวเคลยสของธาต มความสมพนธกบสมบตของธาตมากกวามวลอะตอม ทาใหสอดคลองกบกฎพรออดกมากกวา สามารถสรางตารางธาตไดโดยไมตองสลบทธาตบางธาตเหมอนกรณการจดเรยงตามมวลอะตอม

ประมาณป พ.ศ. 2456 (ค.ศ. 1913) โมสลยจงเสนอตารางธาตใหมโดยเรยงตามเลขอะตอมจากนอยไปหามาก และจดธาตทมสมบตคลายคลงกนใหอยในหมเดยวกน และกาหนดกฎตารางธาตขนใหมเปน “สมบตตาง ๆ ของธาตในตารางธาตขนอยกบเลขอะตอมของธาต”

3. ตารางธาตในปจจบน

เนองจากปจจบนนกเคมพบวา การจดเรยงตวของอเลกตรอนในอะตอมของธาตมสวนสมพนธกบสมบตตาง ๆ ของธาต กลาวคอ ถาเรยงลาดบธาตตามเลขอะตอมจากนอยไปหามาก จะพบวาธาตทมสมบตคลายคลงกนเปนชวง ๆ ตามลกษณะของการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอมของธาตนน ดงนนในปจจบนจงจดตารางธาตโดยเรยงตามเลขอะตอมจากนอยไปมาก ดงในรปท 5

รปท 5 ตารางธาตในปจจบน

ตารางธาตในรปท 5 เปนแบบทใชกนอยมากในปจจบน แบงธาตในแนวตงออกเปน 18 แถวหรอ 18 หม โดยธาตทงหมด 18 แถว แบงเปน 2 กลมใหญ ๆ คอกลม A และ B กลม A ม 8 หม คอหม IA ถง VIIIA สวนกลม B ซงอยระหวางหม IIA และ IIIA ม 8 หมเชนเดยวกน คอ หม IB ถง VIIIB (แตม 10 แนวตง) เรยกธาตกลม B วา ธาตทรานซชน ธาตในแตละหม ของกลม A ถามสมบตคลายกนจะมชอเรยกเฉพาะหม เชน * ธาตหม IA เรยกวา โลหะอลคาไล (alkali metal) ไดแก Li , Na , K , Rb , Cs , Fr * ธาตหม IIA เรยกวา โลหะอลคาไลนเอรท(alkaline earth)ไดแก Be Mg Ca Sr Ba Ra * ธาตหม VIIA เรยกวา ธาตเฮโลเจน (halogen) ไดแก F Cl Br I At * ธาตหมท VIIIA เรยกวา กาซเฉอย (Inert gas) ไดแก He Ne Ar Kr Xe Rn สาหรบการแบงธาตเปนคาบ ธาตทงหมดในตารางธาตแบงเปน 7 คาบ ซงในแตละคาบอาจจะมจานวนธาตไมเทากน เชน

สาหรบคาบตาง ๆ ในตารางธาตแบงเปน 7 คาบดงน * คาบท 1 ม 2 ธาต คอ H , He * คาบท 2 ม 8 ธาต คอ ตงแต Li ถง Ne * คาบท 3 ม 8 ธาต คอ ตงแต Na ถง Ar * คาบท 4 ม 18 ธาต คอ ตงแต K ถง Kr * คาบท 5 ม 18 ธาต คอ ตงแต Rb ถง Xe * คาบท 6 ม 32 ธาต คอ ตงแต Cs ถง Rn * คาบท 7 ม 19 ธาต คอ ตงแต Fr ถง Ha

รวมทงหมด 105 ธาต เปนกาซ 11 ธาต คอ H , N , O , F , Cl , He , Ne , Ar , Kr , Xe และ Rn เปนของเหลว 5 ธาต คอ Cs , Fr , Hg , Ga และ Br ทเหลอเปนของแขง สาหรบ 2 แถวลางเลขอะตอม 58 - 71 และ 90 - 103 เปนธาตกลมยอยทแยกมาจากหม IIIB ในคาบท 6 และ 7 เรยกธาตในกลมยอยนรวม ๆ วา กลมธาตเลนทาไนด และกลมธาตแอกทไนด นอกจากนเมอพจารณาธาตหม IIIA ไปทางขวามอ จะพบเสนหนกหรอเสนทบเปนแบบขนบนได เสนหนกนจะเปนเสนแบงกลมธาตโลหะและอโลหะ กลาวคอ ธาตทางขวาของเสนขนบนไดจะเปนอโลหะ ธาตทางซายมอของเสนขนบนไดจะเปนโลหะ ธาตทอยชดกบเสนขนบนได เปนธาตกงโลหะ ซงมทงสมบตของโลหะและอโลหะ เชน ธาต B , Si ,Ge ,As , Sb , Te

4. การตงชอธาตทคนพบใหม

จากตารางธาตในรปท 5 จะพบวามธาตอย 109 ธาต ซงยงมการคนพบธาตใหม ๆ เพมขนอกหลายธาต แตยงไมไดกาหนดสญลกษณทแนนอนไวในตารางธาต ธาตบางธาตถกคนพบโดยนกวทยาศาสตรหลายคณะ ทาใหมชอเรยกและสญลกษณตางกน เชน ธาตท 104 คนพบโดยคณะนกวทยาศาสตร 2 คณะ คอ คณะของนกวทยาศาสตรสหรฐอเมรกา ซงเรยกชอวา รทเทอรฟอรเดยม (Ratherfordium) และใชสญลกษณ Rf ในขณะทคณะนกวทยาศาสตรสหภาพโซเวยตเรยกชอวาเคอรซาโตเวยม(Kurchatovium) ใชสญลกษณ Ku ธาตท 105 คนพบโดยคณะนกวทยาศาสตร 2 คณะเชนเดยวกน คอคณะนกวทยาศาสตรสหรฐอเมรกาเรยกชอวา ฮาหเนยม (Hahnium) และใชสญลกษณ Ha ในขณะทนกวทยาศาสตรสหภาพโซเวยตใชชอวา นลสบอหเรยม (Neilbohrium) และใชสญลกษณเปน Ns การทคณะนกวทยาศาสตรตางคณะตงชอแตกตางกน ทาใหเกดความสบสน International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) จงไดกาหนดระบบการตงชอขนใหม โดยใชกบชอธาตทมเลขอะตอมเกน 100 ขนไป ทงนใหตงชอธาตโดยระบเลขอะตอมเปนภาษาละตน แลวลงทายดวย ium ระบบการนบเลขในภาษาละตนเปนดงน

0 = nil (นล) 1 = un (อน) 2 = bi (ไบ) 3 = tri (ไตร) 4 = quad (ควอด) 5 = pent (เพนท) 6 = hex (เฮกซ) 7 = sept (เซปท) 8 = oct (ออกต) 9 = enn (เอนน) เชน - ธาตท 104 ตามระบบ IUPAC อานวา อนนลควอเดยม (Unnilquadium) สญลกษณ Unq - ธาตท 105 ตามระบบ IUPAC อานวา อนนลเพนเทยม (Unnilpentium) สญลกษณ Unp การจดตารางธาตเปนหมเปนคาบ ทาใหศกษาสมบตตาง ๆ ของธาตไดงายขน สามารถทานายสมบตบางประการของธาตบางธาตได กลาวคอธาตทอยในหมเดยวกนจะมสมบตตาง ๆ คลาย ๆ กน และธาตทอยในคาบเดยวกน จะมแนวโนมของการเปลยนแปลงสมบตตาง ๆ ตอเนองกนไป ซงจะกลาวถงรายละเอยดตอไป

ใบความรท 7 เรอง การจดเรยงอเลกตรอนกบหมและคาบของธาต

******************************************************** 1. การจดเรยงอเลกตรอนกบหมและคาบของธาต จากการพจารณาการจดเรยงอเลกตรอนของธาต พบวามสวนสมพนธกบการจดหมและคาบของตารางธาตในปจจบน สาหรบธาตกลม A ธาตทอยในหมเดยวกนจะมเวเลนซอเลกตรอนเทากน จานวนเวเลนซอเลกตรอนของธาตในแตละหมจะตรงกบเลขประจาหม จานวนระดบพลงงานทมอเลกตรอนอย จะเทากบเลขทคาบ นนคอธาตทอยในคาบเดยวกนจะมจานวนระดบพลงงานเทากน เชน 11Na = 2 , 8 , 1 12Mg = 2 , 8 , 2 19K = 2 , 8 , 8 , 1 ทง Na และ K ตางกมเวเลนซอเลกตรอนเทากน แสดงวาเปนธาตในหมเดยวกน เนองจากม 1 เวเลนซอเลกตรอน จงจดเปนธาตหมท 1 เหมอนกน Na ม 3 ระดบพลงงาน จงจดอยในคาบท 3 ของตารางธาต K ม 4 ระดบพลงงานจงจดอยในคาบท 4 ของตารางธาต Mg ม 3 ระดบพลงงานจงจดอยในคาบท 3 ของตารางธาต ดงนน Na และ Mg จดเปนธาตทอยในคาบเดยวกนคอคาบท 3 แตตางหมกนเพราะ มเวเลนตอเลกตรอนตางกน คอ หม 1A และ 2A ตามลาดบ

2. สมบตของธาตในตาราง สมบตตางๆ ของธาตทจะศกษาในทนไดแกสมบตเกยวกบขนาดอะตอม ขนาดไอออน พลงงานไอออนไนเซชน จดหลอมเหลว จดเดอด และอเลกโทรเนกาตวต โดยศกษาถงแนวโนมของการเปลยนแปลงวามความสมพนธกบตารางธาต ตามหมและคาบอยางไร

2.1 ขนาดอะตอม ขนาดอะตอมหาไดจากเทคนคทาง x-ray diffraction และ microwave spectroscopy ถาอะตอมเรยงตวอยางมระเบยบแบบชดกนมากทสด ขนาดของอะตอมจะหาไดจากความสมพนธ ดงน

ขนาดของ 1 อะตอม = 1s 2s 2p

ปรมาตรของ 1 โมล = นความหนาแนมวลอะตอม

จากแบบจาลองอะตอมแบบกลมหมอก อะตอมมขอบเขตทไมแนนอน ระยะระหวางนวเคลยสถงผวอะตอมมคาไมคงท ทาใหหาขนาดของอะตอมทแทจรงไมได จากแบบจาลองของอะตอมตามทฤษฎของโบร อเลกตรอนในไฮโดรเจนอะตอมอาจมพลงงานไดหลายคา ขนาดอะตอมของไฮโดรเจนจงขนอยกบวาอเลกตรอนอยในระดบพลงงานใด ถาอยในระดบพลงงานสง จะอยหางจากนวเคลยสมาก ขนาดอะตอมจะใหญ และถาอยในระดบพลงงานตา จะอยใกลนวเคลยส ขนาดอะตอมจะเลก ดงนนจงทาใหหาขนาดของอะตอมทแทจรงไมได ในทางปฏบตนยมบอกขนาดอะตอมดวยรศมอะตอม โดยพจารณาจากเสนผานศนยกลางของโมเลกลอะตอมค หรอ อะตอม 2 อะตอมทอยชดกน โดยแบงรศมอะตอมเปน 3 ประเภท ก. รศมโลหะ (metallic radii) เนองจากโลหะมการจดเรยงอะตอมแบบชดกน รศมอะตอมโลหะจงหาไดจากความยาวพนธะโลหะหารดวย 2 หรอระยะระหวางนวเคลยสของโลหะ 2 อะตอมหารดวย 2

รปท 1 รศมอะตอมของโลหะ

ข. รศมโคเวเลนต (covalent radii) ไดจากความยาวของพนธะโคเวเลนตหารดวย 2 หรอ ระยะระหวางนวเคลยสของอะตอม 2 อะตอมทยดเหนยวกนดวยพนธะโคเวเลนตหารดวย 2 เชน ความยาวพนธะของ Cl - Cl = 198 พโคเมตร (pm) เพราะฉะนนรศมโคเวเลนตของ Cl = 198/2 = 99 พโคเมตร ค. รศมวนเดอรวาลส (van der wall radii) ไดจากความยาวระหวางนวเคลยสของอโลหะ 2 อะตอม ทไมเกดพนธะกนหารดวย 2 เชน รศมวนเดอรวาลสของ Cl = 155 พโกเมตร

รปท 2 รศมของอะตอมของอโลหะ

จะเหนไดวาโลหะมรศมอะตอมชนดเดยวคอ รศมโลหะ แตอโลหะมรศมอะตอม 2 ชนดคอ รศมโคเวเลนตและรศมวนเดอรวาลส ซงในอะตอมชนดเดยวกนรศมวนเดอรวาลสจะยาวกวารศมโคเวเลนต

ตารางท 1 เปรยบเทยบความยาวของรศมอะตอมระหวางรศมโคเวเลนต และรศมวนเดอรวาลสของโลหะบางชนด

ธาต ความยาวของ รศมโคเวเลนต (pm) รศมวนเดอรวาลส (pm)

H O Cl P S

37 73 99 110 104

120 140 155 180 190

ดงนนการกลาวถงรศมอะตอมจงควรอางถงดวยวาเปนรศมอะตอมชนดใด และการเปรยบเทยบขนาดอะตอมจะตองใชรศมอะตอมประเภทเดยวกนดวย อยางไรกตามการบอกคารศมอะตอมโดยทวไป จะหมายถง รศมโคเวเลนตซงรศมโคเวเลนตสามารถหาไดจาก ความยาวของพนธะโคเวเลนตดงกลาวมาแลว และถาตงสมมตฐานวารศมของอะตอมหนงๆ ในโมเลกลใดๆ มคาเทากน จะสามารถหารศมอะตอมของธาตตางๆ ได เชน ก. ในโมเลกลไฮโดรเจน ความยาวพนธะของ H - H = 72 pm เพราะฉะนนรศมอะตอมของ H = 74/2 = 37 pm ข. ในโมเลกล HCl ความยาวพนธะของ H-Cl = 136 pm รศมอะตอมของ H = 37 pm (จาก ขอ ก.)

เพราะฉะนนรศมอะตอมของ Cl = 137 - 37 = 99 pm ค. ในโมเลกล CCl4 ความยาวพนธะของ C-Cl = 176 pm รศมอะตอมของ Cl = 99 pm (จาก ขอ ข.) เพราะฉะนนรศมอะตอมของ C = 176 - 99 = 77 pm

ความสมพนธระหวางขนาดอะตอมกบตารางธาต พจารณารศมอะตอมของธาตตางๆ ในตารางธาตดงตอไปน

รปท 3 รศมอะตอมของธาตตางๆ ในตารางธาต

เมอนารศมอะตอมของธาตตางๆ มาเขยนกราฟรวมกบเลขอะตอมจะไดดงน

รปท 4 กราฟแสดงความสมพนธระหวางรศมอะตอมกบเลขอะตอมของธาต

เมอพจารณาเปรยบเทยบรศมอะตอมเฉพาะธาตทอยในหมเดยวกนและคาบเดยวกน จะไดดงน ตารางท 2 เปรยบเทยบความยาวของรศมอะตอมของธาตหม IA

ธาตหม IA เลขอะตอม รศมอะตอม (pm) Li Na K Rb Cs

3 11 19 37 55

152 186 227 248 265

ตารางท 3 เปรยบเทยบความยาวของรศมอะตอมของธาตในคาบท 2

ธาตคาบท 2 เลขอะตอม รศมอะตอม (pm)

Li Be B C N O F 3 4 5 6 7 8 9 152 111 79 77 74 73 71

จากรศมอะตอมของธาตหม IA และธาตในคาบท 2 เมอนามาเขยนเปนแผนภาพเพอแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมตามหมและตามคาบเปรยบเทยบกน จะไดดงน

รปท 5 แผนภาพแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมของธาตในหมเดยวกน และในคาบเดยวกน

ถาพจารณาธาตทกๆ หมและทกๆ คาบในตารางธาต อาจแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมไดดงแผนภาพตอไปน

หม IA หม VIIIA

หม

ใหญ

เลก คาบ

รปท 6 แผนภาพแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมในตารางธาต

จากแนวโนมดงกลาว จงสามารถสรปขนาดของอะตอมหรอรศมอะตอมของธาตในหมเดยวกน และในคาบเดยวกนไดดงน ก. ธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน ขนาดอะตอมจะใหญขน ข. ธาตในคาบเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน ขนาดอะตอมจะเลกลง เนองจากขนาดอะตอมขนอยกบจานวนโปรตอนในนวเคลยส และจานวนระดบพลงงานทมอเลกตรอน ถามโปรตอนมาก นวเคลยสจะดงดดอเลกตรอนไดแรง ทาใหอะตอมมขนาดเลก แต

ถามอเลกตรอนมากจานวนระดบพลงงานจะเพมขน ทาใหอเลกตรอนนอกสดอยหางจากนวเคลยสมาก อะตอมควรมขนาดใหญ การทธาตในหมเดยวกนมขนาดอะตอมใหญขน เมอเลขอะตอมเพมขน อธบายไดวาเพราะมจานวนระดบพลงงานเพมขน แมจานวนโปรตอนจะเพมขนดวยกตาม แตแรงดงดดตอเวเลนซอเลกตรอนมนอย จงทาใหขนาดใหญขน กรณนการเพมระดบพลงงานมผลมากกวาการเพมจานวนโปรตอน สวนธาตในคาบเดยวกนมขนาดเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน กเนองจากธาตในคาบเดยวกนมจานวนระดบพลงงานเทากน แตเมอเลขอะตอมเพม จานวนโปรตอนจะเพมขนดวย แรงดงดดระหวางนวเคลยสกบเวเลนซอเลกตรอนเพมขน ขนาดจงลดลง

2.2 ขนาดไอออน เมอธาตรวมตวกบเปนสารประกอบ อาจมบางชนดเสยอเลกตรอน กลายเปนไอออนบวก เชน ธาตโลหะ และบางชนดรบอเลกตรอนเพมเขามา ทาใหกลายเปนไอออนลบ เชน ธาตโลหะ การทอะตอมเปลยนเปนไอออน ทาใหขนาดเปลยนแปลงไปจากเดม ซงสรปโดยทวไปไดดงน ก. ไอออนบวก หรอ ไอออนของโลหะ จะมขนาดเลกลงเมอเปรยบเทยบกบอะตอมเดม เนองจากโลหะเมอเสยอเลกตรอน กลายเปนไอออนบวก ระดบพลงงานลดลง ขนาดจงเลกลง เชน Na 2, 8, 1 มรศมอะตอม 190 pm Na+ 2, 8 มรศมไอออน 98 pm ข. ไอออนลบหรอไอออนของอโลหะ จะมขนาดใหญขนเมอเปรยบเทยบกบอะตอมเดม เนองจากอโลหะเมอรบอเลกตรอนเพมเขามาทาใหแรงดงดดระหวาง อเลกตรอนกบนวเคลยส ลดลง ขนาดจงใหญขน เชน Cl 2, 8, 7 มรศมอะตอม 99 pm Cl- 2, 8, 8 มรศมไอออน 181 pm

ความสมพนธระหวางขนาดไอออนกบตารางธาต พจารณารศมของธาตบางชนดในตารางธาตเปรยบเทยบกบอะตอมเดม ดงตอไปน

รปท 7 เปรยบเทยบขนาดอะตอมและขนาดไอออนของธาตบางชนด

(เสนประแสดงขนาดไอออน, หนวยเปน A0) จากรป จะเหนไดวา ในหมเดยวกนขนาดของไอออนมแนวโนมใหญขนเมอเลขอะตอมเพมขน แตในคาบเดยวกน การเปลยนแปลงขนาดของไอออนมแนวโนมทไมแนนอน จงตองพจารณาในรายละเอยดตอไป

ก. ไอออนของโลหะ พจารณาขนาดของไอออนของโลหะในหมและในคาบเดยวกน ดงตอไปน

ตารางท 4 เปรยบเทยบขนาดของไอออนของโลหะในหมเดยวกน (หม IIA) ธาตหม IIA เลขอะตอม ไอออน รศมไอออน (pm) รศมอะตอม (pm)

Be Mg Ca Sr Ba

4 12 20 38 56

Be2+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+

31 65 99 113 135

111 160 197 215 217

ตารางท 5 เปรยบเทยบขนาดไอออนของโลหะในคาบเดยวกน (คาบท 3) ธาต Na Mg Al เลขอะตอม 11 12 13 ไอออน Na+ Mg2+ Al3+ รศมไอออน (pm) 95 65 50 รศมอะตอม (pm) 186 160 143

เมอนามาเขยนเปนแผนภาพแสดงขนาด เพอใหเหนแนวโนมของการเปลยนแปลง จะไดดงน

รปท 8 แนวโนมของขนาดอะตอมอโลหะไอออนของโลหะในหมและในคาบเดยวกน

จะเหนไดวา “ไอออนของโลหะในหมเดยวกนจะมขนาดใหญขนเมอเลขอะตอมเพมขน” และ “ไอออนของโลหะในคาบเดยวกนจะมขนาดเลกลงเมอเลขอะตอมเพมขน”

ข. ไอออนของอโลหะ พจารณาขนาดของไอออนของอโลหะในหมและในคาบเดยวกน ดงตอไปน

ตารางท 6 เปรยบเทยบขนาดของไอออนของโลหะในหมเดยวกน (หม VIIA) ธาตหม VIIA เลขอะตอม ไอออน รศมไอออน (pm) รศมอะตอม (pm)

F Cl Br I

9 17 35 53

F- Cl- Br- I-

136 181 195 216

71 99 114 133

ตารางท 7 เปรยบเทยบขนาดไอออนของโลหะในคาบเดยวกน (คาบท 3) ธาต P S Cl เลขอะตอม 15 16 17 ไอออน P3- S2- Cl- รศมไอออน (pm) 212 184 181 รศมอะตอม (pm) 110 102 99

เมอนามาเขยนเปนแผนภาพ แสดงขนาด เพอใหเหนแนวโนมของการเปลยนแปลง จะไดดงน

รปท 9 แนวโนมของขนาดของอะตอมและไอออนของอโลหะในหมและในคาบเดยวกน

จะเหนไดวา “ไอออนของอโลหะในหมเดยวกน จะมขนาดใหญขนเมอเลขอะตอมเพมขน” และ “ไอออนของโลหะในคาบเดยวกนจะมขนาดเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน” จะเหนไดวา ทงไอออนของโลหะและอโลหะในหมเดยวกน จะมขนาดใหญขน เมอเลขอะตอมเพมขน

สาหรบไอออนในคาบเดยวกน ถาพจารณาแยกกนระหวางโลหะกบอโลหะ จะมแนวโนมเปนอยางเดยวกนคอมขนาดเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน แตเมอมาพจารณารวมกนแนวโนมของขนาดจะไมเปนดงทกลาวแลว

พจารณาไอออนของธาตในคาบท 2 ตารางท 8 เปรยบเทยบขนาดของไอออนของธาตในคาบท 3

ธาต Li Be B C N O F เลขอะตอม 3 4 5 6 7 8 9

ไอออน Li+ Be2+ B3+ C4- N3- O2- F- รศมไอออน (pm) 68 31 20 260 171 140 136 รศมอะตอม (pm) 152 111 79 77 74 73 71

เมอเขยนแผนภาพแสดงขนาด จะไดแนวโนมของการเปลยนแปลงดงน

รปท 10 แนวโนมขนาดของไอออนในคาบเดยวกนเปรยบเทยบกบขนาดอะตอม

ค. ไอออนทมจานวนอเลกตรอนเทากน พจารณาขนาดของไอออนตางๆ ทมจานวนอเลกตรอนเทากนทงไอออนบวกและไอออนลบ ดงตอไปน

ตารางท 9 แสดงขนาดของไอออนตางๆ ทม 10 อเลกตรอนเทากน เลขอะตอม 6 7 8 9 11 12 13 ไอออน C4- N3- O2- F- Na+ Mg2+ Al3+ จานวนอเลกตรอน 10 10 10 10 10 10 10 รศมไอออน (pm) 260 171 140 136 98 65 45

จากตาราง จะเหนไดวา ขนาดของไอออนทม 10 อเลกตรอนเทากน เรยงลาดบจากใหญไปหาเลกไดดงน

C4- > N3- > O2- > F- > Na+ > Mg2+ > Al3+

ทาใหสรปไดดงน “สาหรบไอออนทมจานวนอเลกตรอนเทากน ไอออนทมประจลบมากทสดจะมขนาดใหญทสด ขณะทไอออนทมประจบวกมากทสด จะมขนาดเลกทสด” สาหรบไอออนทมจานวนอเลกตรอนเทากนกลมอนๆ กเปรยบเทยบขนาดไดในทานองเดยวกน ดงในรปท 11

รปท 11 เปรยบเทยบขนาดของไอออน

เสนทบ () แสดงขนาดของไอออนทมจานวนอเลกตรอนเทากน เสนประ() แสดงขนาดของไอออนในหมเดยวกน

สรปความสมพนธระหวางขนาดอะตอมและขนาดไอออนกบตารางธาต ก. ในหมเดยวกน ทงขนาดอะตอมและไอออนจะใหญขนเมอเลขอะตอมเพมขน ข. ในคาบเดยวกน ขนาดอะตอมจะเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน ขนาดไอออนของโลหะจะเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน ขนาดไอออนของอโลหะจะเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน ค. ไอออนทมจานวนอเลกตรอนเทากน ไอออนทมประจลบมากทสด จะมขนาดใหญทสด และไอออนทมประจบวกมากทสด จะมขนาดเลกทสด

ใบความรท 8 เรอง พลงงานไอออไนเซชน

******************************************************** พลงงานไอออไนเซชน หมายถง พลงงานทตองการใชสาหรบทาใหอเลกตรอนวงนอกสดของอะตอมหรอไอออนในสภาวะกาซ หลดออกไป 1 อเลกตรอน เขยนเปนสมการทวๆ ไปไดดงน X (g) + IE X+ (g) + e-

IE คอ พลงงานไอออไนเซชน หมายเหต 1.พลงงานไอออไนเซชน จะตองเกยวของกบอเลกตรอนครงละ 1 อเลกตรอนเทานน มฉะนนจะไมใชพลงงานไอออไนเซชน เชน X (g) X2+ (g) + 2e- X+ (g) X3+ (g) + 2e-

ทงสองปฏกรยาไมใชพลงงานไอออไนเซชน 2. พลงงานไอออไนเซชน จะตองเกยวของกบอะตอมหรอไอออนทอยในสภาวะกาซ

เทานน เชน X (g) + IE1 X+ (g) + e- X+ (g) + IE2 X2+ (g) + e-

ทง IE1 และ IE2 ตางกเปนพลงงานไอออไนเซชน พลงงานทใชในปฏกรยาตอไปน ไมใชพลงงานไอออไนเซชน X (s) X+ (g) + e- X (l) X+ (g) + e- X (g) X+ (aq) + e- ฯลฯ 3. เมอดงอเลกตรอนตวท 1, 2, 3 …… ออก จะเรยกชอวา เปนพลงงานไอออไนเซชนลาดบท 1, 2, 3 , .. ตามลาดบ เขยนยอๆ เปน IE1 , IE2 , IE3 , …. เขยนสมการแสดงคา IE1 , IE2 , IE3 , …. ไดดงน

X (g) + IE1 X+ (g) + e- X+ (g) + IE2 X2+ (g) + e- X2+ (g) + IE3 X3+ (g) + e- โดยทในธาตแตละชนด IE1 < IE2 < IE3

พลงงานไอออไนเซชนลาดบท 1 ( IE1 ) พลงงานไอออไนเซชนลาดบท 1 ( IE1 ) คอ พลงงานไอออไนเซชนทใชสาหรบดงอเลกตรอนตวแรกออกจากอะตอมทเปนกาซ เขยนเปนสมการทว ๆ ไปไดดงน

M(g) M+(g) + e- ; IE1 เชน Be(g) Be+(g) + e- ; IE1 = 0.906 MJ/mol หมายความวา ถาตองการดงอเลกตรอนตวทอยวงนอกสดของอะตอม Be ทเปนกาซ จะตองใชพลงงานอยางนอย 0. 906 MJ/mol ตวอยางอน ๆ เชน Cl(g) Cl+(g) + e- ; IE1 = 1.257 MJ/mol Ne(g) Ne+(g) + e- ; IE1 = 2.087 MJ/mol พลงงานไอออไนเซชนลาดบท 2 ( IE2 ) พลงงานไอออไนเซชนลาดบท 2 ( IE2 ) คอ พลงงานไอออไนเซชนทใชสาหรบดงอเลกตรอนตวทสองออกจากไอออนบวกทเปนกาซ เขยนเปนสมการทว ๆ ไปไดดงน M+ (g) M2+(g) + e- ; IE2 เชน N+ (g) N2+(g) + e- ; IE2 = 2.862 MJ/mol Al+ (g) Al2+(g) + e- ; IE2 = 1.823 MJ/mol พลงงานไอออไนเซชนลาดบอน ๆ กพจารณาไดในทานองเดยวกน เขยนเปนสมการทว ๆ ไปไดดงน คอ M(n)+ (g) M(n+1)+ (g) + e- ; IEn+1 ธาตไฮโดรเจนม 1 e จงมเพยง IE1 คาเดยว ธาตอน ๆ มหลายอเลกตรอนกจะม IE หลายคา ถาอะตอมของธาตหนงม n อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชนไดถง n ลาดบ เชน ธาต He ม 2 อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชน 2 ลาดบ ธาต Cl ม 17 อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชน 17 ลาดบ ธาต Mg ม 12 อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชน 12 ลาดบ เปนตน ในกรณทธาตนนเปนของแขงหรอของเหลว ในตอนแรกทใสพลงงานเขาไปจะไมไปใชอเลกตรอน แตจะใชในการเปลยนสถานะ ดงนนไมวาธาตจะอยในสถานะใด เมอไดรบพลงงานมากพอกจะเปลยนภาวะมาเปนอะตอมในสถานะกาซ และถาใหพลงงานตอไปอกจนทาใหอเลกตรอนหลดออกจากอะตอมทเปนกาซ พลงงานสวนนจะเรยกวาพลงงานไอออไนเซชน

ดงนน พลงงานทใชในการเปลยนแปลงตอไปนจงไมใชพลงงานไอออไนเซชน M (s) M2+(g) + e- M (l) M+(g) + e- M+ (g) M3+(g) + e- M+ (s) M+(aq) + e- M (l) M+(aq) + e- ฯลฯ ปจจยทมผลตอคาพลงงานไอออไนเซชน ก. ขนาดอะตอม ถาอะตอมมขนาดเลก จะมคา IE มาก แตถาอะตอมมขนาดใหญจะมคา IE จะนอย ข. ประจในนวเคลยส ถาอะตอมมประจในนวเคลยสมาก คา IE จะมาก แตถามประจในนวเคลยสนอย คา IE จะนอย โดยทวๆ ไปขนาดของอะตอมจะมผลตอคา IE มากกวาประจในนวเคลยส นอกจากน การพจารณาคา IE ของธาตตางๆ อาจจาเปนตองพจารณาปจจยอนๆ นอกเหนอจากนดวย เชน -โครงสรางอะตอม กลาวคอ อะตอมหรอไอออนทมการจดเรยงอเลกตรอนครบออกเตต เชน Na+ (g) , Mg2+ (g), F- (g), Ne ซงอยในภาวะทเสถยร จะมคา IE สงมาก -แรงผลกของอเลกตรอนใน orbital เดยวกน ซงทาใหเกดแรงผลกระหวางอเลกตรอนทาใหคา IE นอยลง ความสมพนธระหวาง IE1 กบตารางธาต พจารณาคา IE1 ของธาตตางๆ จากกราฟตอไปน

รปท 1 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคา IE1 กบเลขอะตอมของธาต

จากกราฟจะเหนไดวาคา IE1 ในหมและในคาบเดยวกนมแนวโนมของการเปลยนแปลงทสาคญพอจะสรปไดดงน ก. ธาตในหมเดยวกน คา IE1 จะลดลงเมอเลขอะตอมเพมขน ทงนเพาะธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขนขนาดของอะตอมจะใหญขน ทาใหแรงยดเหนยวระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนนอยลง คาจงลดลง (ดคา IE1 ของธาตหมIA ในตารางท 1) ข. ธาตในคาบเดยวกน คา IE1 จะเพมขนเมอเลขอะตอมเพมขน ทงนเพราะขนาดอะตอมเลกลงตามลาดบนนเอง ดงนนโลหะจงมคา IE1 ตากวาอโลหะ (ดคา IE1 ของธาตในคาบท 2 ในตารางท 2)

ตารางท 1 แสดงคา IE1 ของธาตในหมเดยวกน (หม IA) ธาต เลขอะตอม รศมอะตอม (pm) IE1 (kJ/mol) Li Na K Rb Cs

3 11 19 37 55

152 186 227 248 265

526 502 425 409 382

ตารางท 2 แสดงคา IE1 ของธาตในคาบเดยวกน (คาบท 2) ธาต เลขอะตอม รศมอะตอม(pm) IE1 (kJ/mol)

Li 3

152 526

Be 4

112 906

B 5 88 807

C 6 77

1093

N 7 77

1407

O 8 66

1687

F 9 64

1687

Ne 10 112 2087

จะเหนไดวาธาตในหมเดยวกนเมอเลขอะตอมเพมขน คา IE1 ลดลงตามลาดบ แตธาตในคาบเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน คา IE1 สวนใหญเพมขน แตมบางธาตคา IE1 ลดลงอยางไรกตามเมอพจารณาโดยรวม จากการดแนวโนมของการเปลยนแปลงในกราฟรปท 3.12 กจะพบวาในคาบเดยวกนเมอเลขอะตอมเพมขนคา IE1 มแนวโนมเพมขน การทคา IE1 ของบางธาตไมเพมขน อาจจะอธบายไดดงน 1. ในคาบท 2 คา IE1 ของ Be มากกวา B ทงๆ ท Be มขนาดใหญกวา Bเนองจากปจจยเกยวกบโครงสรางของอะตอม 4Be = 1s2 2s2 มเวเลนตอเลกตรอนเปน 2s2 ซงมลกษณะคลายกบ He ดงนนโครงสรางอะตอมจงเสถยรมาก คา IE1 จงสง 5B = 1s2 2s2 2p1 มเวเลนตอเลกตรอนเปน 2p1 ซงไมครบออกเตต ทาใหโครงสรางอะตอมไมเสถยรเทา Be ดงนน IE1 จงนอยกวาของ Be

2. ในกรณของ N และ O ปรากฏวา N ม IE1 สงกวา O เพราะปจจยเกยวกบแรงผลกของอเลกตรอนในออรบทอล (orbital) เดยวกน

7N = 1s2 2s2 2p3

1s 2s 2p

อเลกตรอนทง 3 ใน p - obital กระจายกนอย แรงผลกระหวางอเลกตรอนกบอเลกตรอนคอนขางนอย อะตอมอยในภาวะเสถยร

8O = 1s2 2s2 2p4

1s 2s 2p

อเลกตรอนทง 4 ใน p- orbital กระจายกนอย แตมอย 1 orbital ทม 2 อเลกตรอนจงมแรงผลกระหวางอเลกตรอนเกดขน ดงนนอะตอมจงเสถยรนอยกวา N ทาใหคา IE1 นอยกวา

***********************************************************************

ใบความรท 9 เรอง สมบตของธาตตามหมและตามคาบ (2)

********************************************************

1. อเลกโทรเนกาตวต อเลกโทรเนกาตวต เปนความสามารถของอะตอมของธาตในการดงดดอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาใกลนวเคลยส ธาตทมอเลกโทรเนกาตวตสงกวาจะแสดงอานาจไฟฟาลบ สวนธาตทมอเลกโทรเนกาตวตต ากวา จะแสดงอานาจไฟฟาบวก

ปจจยทมผลตอคาอเลกโทรเกาตวต เหมอนกบปจจยทมผลตอคา IE คอ ก. ขนาดของอะตอม อะตอมทมขนาดเลก จะมคาอเลกโทรเนกาตวตสงกวาอะตอม ทมขนาดใหญ เนองจากอะตอมทมขนาดเลดสามารถดงดดอเลกตรอนครวมพนธะใหเเขาใกลนวเคลยสไดมากกวา ข. ประจในนวเคลยส อะตอมทมประจในนวเคลยสมากกวา จะมคาอเลกโทรเนกาตวตสงกวา เพราะสามารถดงอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาใกลนวเคลยสไดมากกวา ดงนน ธาตทมขนาดเลกและมประจในนวเคลยสมาก จะมคาอเลกโทรเนกาตวตสง อยางไรกตาม โดยทวๆ ไปขนาดของอะตอมจะมผลตอคาอเลกโทรเนกาตวตมากกวาประจในนวเคลยส เชน Na มรศมอะตอม 186 pm มอเลกโทรเนกาตวต 0.9 Mg มรศมอะตอม 160 pm มอเลกโทรเนกาตวต 1.2 Mg มขนาดเลกกวาและมประจในนวเคลยสมากกวา จงมอเลกโทรเนกาตวตมากกวา อกตวอยางหนง Mg มรศมอะตอม 160 pm มอเลกโทรเนกาตวต 1.2 Ca มรศมอะตอม 197 pm มอเลกโทรเนกาตวต 1.0 Mg มขนาดเลกกวา จงมอเลกโทรเนกาตวตมากกวา Ca (ถงแมวา Mg จะมประจในนวเคลยสนอยกวา Ca )

การคานวณคาอเลกโทรเนกาตวต อเลกโทรเนกาตวตของธาตหนงๆ ไดจากการคานวณไมใชไดจากการทดลอง ซงการคานวณมหลายวธตางๆ กน ไลนส พอลง (Linus Pauling) นกเคมชาวอเมรกนไดคานวณคาอเลก

โทรเนกาตวตของธาตตางๆ ทสามารถเกดพนธะระหวางกนได โดนพจารณาจากปจจยเกยวกบพลงงานพนธะของพวกโมเลกลอะตอมคดงตอไปน

ENA - ENB = - (0.208 21

BBAAAB ) ENA = อเลกโทรเนกาตวตของธาต A

ENB = อเลกโทรเนกาตวตของธาต B HAB = พลงงานพนธะของ A - B

HAA = พลงงานพนธะของ A - A HBB = พลงงานพนธะของ B - B

(หนวยของพลงงานเปน kcal/mol) จากความสมพนธดงกลาว เมอทราบพลงงานพนธะจะสามารถคานวณอเลกโทรเนกาตวตเปรยบเทยบระหวางธาต 2 ธาตทเกดพนธะกนได ซงถาทราบคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตหนง จะหาคาอเลกโทรเนกาตวตของอกธาตหนงได พอลงใชวธเปรยบเทยบโดยกาหนดใหธาต F ซงมขนาดเลกทสดและเกดพนธะได มอเลกโทรเนกาตวตสงทสดคอ เทากบ 4.0 หลงจากนนจงคานวณอเลกโทรเนกาตวตของธาตอนๆ โดยการเปรยบเทยบกบธาต F และธาตอนๆ ททาบคาอเลกโทรเนกาตวตแลว

ความสมพนธระหวางอเลกโทรเนกาตวตกบตารางธาต พจารณาคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ในตารางธาตดงตอไปน

รปท 1 แสดคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ในตารางธาต

เมอนาคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตมาเขยนเรยงลาดบตามเลขอะตอม จะไดดงน

รปท 2 กราฟแสดงคาอเลกโทรเนกาตวตของธาต

จากลกษณะของกราฟจะสามารถสรปแนวโนมของการเปลยนแปลงคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตในหมและในคาบเดยวกนไดดงน ก. ธาตในหมเดยวกน คาอเลกโทรเนกาตวตมแนวโนมลดลงเมอเลขอะตอมเพมขน เนองจากขนาดอะตอมใหญขน ทาใหแรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนมคาลดลง คาอเลกโทรเนกาตวตจงตา

ข. ธาตในคาบเดยวกน คาอเลกโทรเนกาตวตมแนวโนมเพมขน เมอเลขอะตอมเพมขน เนองจากขนาดอะตอมเลกลง ทาใหแรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนมคามากขน สามารถดงดดอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาใกลนวเคลยส คาอเลกโทรเนกาตวตจงสง ค. ธาตเฉอย ไมมคาอเลกโทรเนกาตวต เนองจากธาตเฉอยเกดสารประกอบไดยาก จงไมไดคานวณไว จากคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ในตารางธาตจะเหนไดวาโลหะซงอยทางซายมอของตารางธาต มคาอเลกโทรเนกาตวตตา เมอมการสรางพนธะกบอะตอมของธาตอน อเลกตรอนจงมแนวโนมทจะถกดงออกจากอะตอมไดงาย ธาตเหลานจดวาเปนพวกชอบใหอเลกตรอนหรอเรยกวา electropositive element ในขณะทอโลหะ (ยกเวนธาตเฉอย) ซงอยทางขวามอของตารางธาต มคาอเลกโทรเนกาตวตสง เมอมการสรางพนธะกบอะตอมของธาตทมอเลกโทรเนกาตวตต ากวา จะสามารถดงอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาหาตวไดงาย ธาตเหลานจดวาเปนพวกชอบอเลกตรอนหรอเรยกวา electronegative element

ประโยชนของอเลกโทรเนกาตวต 1.ใชทานายวาธาต 2 ธาต เมอเกดสารประกอบจะเปนไอออนกหรอโคเวลนต โดยพจารณาจากผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวตระหวางธาตครวมพนธะ แลวคานวณออกมาเปน% ionic ดงน

ตารางท 1 แสดงเปอรเซนตไอออนก จากผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวต (EN) %ionic

0.1 0.5

0.2 1

0.3 2

0.4 4

0.5 6

0.6 9

0.7 12

0.8 15

0.9 19

1.0 22

1.1 26

(EN) %ionic

1.2 30

1.3 34

1.4 39

1.5 43

1.6 47

1.7 51

1.8 55

1.9 59

2.0 63

2.1 67

2.2 70

(EN) %ionic

2.3 74

2.4 76

2.5 79

2.6 82

2.7 84

2.8 86

2.9 88

3.0 89

3.1 91

3.2 92

(EN) = ผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตครวมพนธะ โดยทวไปสารประกอบธาตคทม %ionic มากกวา 50 % จะจดวาเปนสารไอออนก ยงม %ionic มากเทาใด กจะยงแสดงสมบตของความเปนไอออนกมากขนเทานน เชน (EN) ของ Cl - Cl = 0 ม %ionic = 0 แสดงวาเปนสารโคเวเลนต (EN) ของ NaCl = 2.1 ม %ionic = 67 % แสดงวาเปนสารไอออนก (EN) ของ KCl = 2.2 ม %ionic = 70 % แสดงวาเปนสารไอออนก (EN) ของ LiCl = 2.0 ม %ionic = 63 % แสดงวาเปนสารไอออนก

แสดงวา NaCl , NaCl และ LiCl ตางกเปนสารไอออนก โดยมความเปนไอออนกเรยงลาดบดงน KCl > NaCl > LiCl 2. การพจารณาสภาพขวของพนธะ โดยเฉพาะโมเลกลโคเวเลนต เมอตองการจะทราบวาพนธะมขวหรอไม พนธะใดมขวของพนธะมากกวากน ใหดจากผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวต ถามคาอเลกโทรเนกาตวตเทากนจะไดวาพนธะไมมขว เชน H-H, NN แตถามคาอเลกโทรเนกาตวตตางกนจะไดพนธะทมขว ยงตางกนมากกจะยงมขวมาก ซงถาตางกนมากกวา 2 จะถอวาเปนพนธะไอออนกดงทไดกลาวมาแลว เชน (EN) ของ Cl - Cl = 0 (EN) ของ H - Cl = 0.9 (EN) ของ H - Br = 0.7 (EN) ของ H - I = 0.4 แสดงวา Cl-Cl เปนพนธะไมมขว HCl, HBr, และ HI เปนพนธะมขว โดยเรยงลาดบขว ของพนธะจากมากไปนอยไดดงน HCl > HBr > HI 3. ใชประกอบการเขยนสตรสารประกอบ โดยทวๆ ไปในการเขยนสตรของสารประกอบของธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวตต าจะเขยนไวขางหนาและธาตทมอเลกโทรเนกาตวตสงกวาจะเขยนไวขางหลง เชน NaCl, Cl2O, OF2 เปนตน นอกจากสมบตของธาตในตารางธาตเกยวกบขนาดอะตอม พลงงานไอออไนเซชน จดหลอมเหลว จดเดอดและคาอเลกโทรเนกาตวตแลวยงมสมบตอนๆ ของธาตทนาสนใจอกเชน อเลกตรอนอฟฟนต และความเปนโลหะของธาต เปนตน

2. อเลกตรอนอฟฟนต (สมพรรคภาพอเลกตรอน) อเลกตรอนอฟฟนต (electron affinity) หมายถง พลงงานทคายออกมาเมออะตอมทเปนกลางในภาวะกาซรบอเลกตรอน 1 ตว กลายเปนไอออนลบในสภาวะกาซ เขยนเปนสมการทวๆ ไปไดดงน X (g) + e- X- (g) + พลงงาน พลงงานนคอ พลงงานอเลกตรอนอฟฟนตนนเอง หนวยของพลงงานอเลกตรอนอฟฟนตจะเหมอนกบพลงงานไอออไนเซชนคอ kJ/mol หรอ หนวยทใหญกวา MJ/mol และหนวยทเลกกวาคอ eV ธาตทมอเลกตรอนอฟฟนตสง จะคายพลงงานออกมามากเมอรบอเลกตรอนเขาไป ทาใหเกดไอออนลบทมความเสถยรมาก ดงนนอเลกตรอนอฟฟนตจงใชทานายความสามารถในการเปน

ไอออนลบ กลาวคอ ธาตทมอเลกตรอนอฟฟนตสง จะสามารถเกดเปนไอออนลบไดงายกวาธาตทมอเลกตรอนอฟฟนตตา เชน Cl, Br มอเลกตรอนอฟฟนตสง จงเกดเปน Cl- , Br- ได แต Na , K มคาอเลกตรอนอฟฟนตตามาก จงไมสามารถเกดเปนไอออนลบได

ปจจยทมผลตอคาอเลกตรอนอฟฟนต เหมอนกบปจจยทมผลตอพลงงานไอออไนเซชนและอเลกโทรเนกาตวต คอขนอยกบขนาดของอะตอมและประจในนวเคลยส ก. ขนาดของอะตอม อะตอมทมขนาดเลก จะมอเลกตรอนอฟฟนตมากกวา อะตอมทมขนาดใหญ ข. ประจในนวเคลยส อะตอมทมประจในนวเคลยสมาก จะมอเลกตรอนอฟฟนตมากกวาอะตอมทมประจในนวเคลยสนอย

ปจจยเกยวกบขนาดของอะตอมจะมผลตออเลกตรอนอฟฟนตมากกวาประจในนวเคลยส

รปท 3 แสดงคาอเลกตรอนอฟฟนตของธาตบางชนด

3. สมบตการนาไฟฟา อาศยการนาไฟฟาของธาต จะสามารถแบงธาตตางๆ ออกเปน 3 กลมใหญๆ คอ โลหะ (metal) อโลหะ (non-metal) และกงโลหะ (metalloid) โดยกาหนดคณสมบตของกลมตางๆ ดงน ก. โลหะ เปนธาตทชอบใหอเลกตรอน มเวเลนซอเลกตรอน 1, 2 หรอ 3 นาไฟฟาไดดทอณหภมหอง เพราะมพนธะโลหะ แตการนาไฟฟาจะลดลงเมออณหภมสงขน ในตารางธาตจะมโลหะประมาณ 3 ใน 4 ของธาตทงหมด คอตงแตทางซายมอของตารางธาตไปถงบรเวณเสนขนบนได รวมโลหะแทรนซชนและอนเนอรแทรนซชนดวย

ข. อโลหะ เปนธาตทชอบรบอเลกตรอน มเวเลนตอเลกตรอนตงแต 4 ตวขนไป เปนฉนวนไฟฟาในทกสถานะ กลาวคอ สมบตการนาไฟฟาจะมนอยมากจนไมสามารถวดได ในตารางธาตจะมอย 1 ใน 4 ของธาตทงหมด คอตงแตธาตทอยทางขวามอของตารางธาตจนถงขนบนได ค. กงโลหะ เปนธาตทมสมบตของโลหะและอโลหะผสมกนอย ทอณหภมปกตจะนาไฟฟาไดนอย และเมออณหภมสงขนการนาไฟฟาจะมากขน ตาแหนงของธาตกงโลหะจะอยตรงบรเวณเสนขนบนได ไดแกธาต B Si Ge As และ Te (ถาพจารณาธาตกงโลหะในแงความเปนกรด-เบสของออกไซด ธาตกงโลหะไดแก Be, Al, Ge, Sn และ Pb) ธาตกงโลหะอาจจะทาใหการนาไฟฟามากขนได โดยการเตมธาตบางอยางผสมลงไปเลกนอย ทงนเพราะธาตกงโลหะ มความวองไวตอปรมาณของสารไมบรสทธเปนอยางมาก ทาใหเกดโครงสรางทนาไฟฟาไดด เชน ธาต Si และ Ge ซงเปนกงโลหะ เมอเตมธาตหม IIIA (Al , Ga, IN) หรอหม VA (P, As, Sb ) ลงไปเลกนอย จะทาใหการนาไฟฟาเพมขนอยางมาก สามารถนาไปใชทางดานอเลกโทรนกสไดเปนอยางด เชน ทาทรานซสเตอร เซม-คอนดกเตอร เปนตน โดยทวไปสารกงโลหะมกจะมโครงสรางโมเลกลทสลบซบซอน

4. ความสมพนธระหวางความเปนโลหะกบตารางธาต ก. ธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขนความเปนโลหะจะเพมขน ข. ธาตในคาบเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน ความเปนโลหะจะลดลง

5. ความหนาแนนกบตารางธาต ความหนาแนนของธาตพจารณาไดจากความสมพนธระหวางมวลและปรมาตรดงน

ความหนาแนน = ปรมาตรมวล

จากสตรจะเหนไดวาการเพมมวลจะทาใหความหนาแนนเพมขน ในขณะทการเพมปรมาตรจะทาใหความหนาแนนลดลง ถาอตราการเพมมวลมากกวาการเพมปรมาตร ความหนาแนนจะเพมขน แตในทางตรงกนขาม ถาอตราการเพมมวลนอยกวาการเพมปรมาตร ความหนาแนนจะลดลง จากหลกการดงกลาวเมอนามาพจารณาธาตในหมและคาบเดยวกนจะเปนดงน ก. ธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน จะพบวาความหนาแนนจะมแนวโนมเพมขน หรอ ความหนาแนนของธาตเพมขนจากลบลงลาง ทงนเพราะอตราการเพมมวลของธาตมคามากกวาอตราการเพมปรมาตร ดงเชน ธาตในหม IA

ตารางท 2 ความหนาแนนของธาตหม IA ธาต เลขอะตอม ความหนาแนน (g/cm3)

Li Na K Rb Cs

3 11 19 37 55

0.53 0.97 0.86 1.53 1.87

ข. ธาตในคาบเดยวกน เนองจากในคาบเดยวกนมทงโลหะและอโลหะ วงมความหนาแนนเปลยนแปลงอยางไมตอเนอง ทาใหสรปตามเลขอะตอมทเพมขนไมได ดงเชน ความหนาแนนของธาตในคาบท 2 ดงตอไปน

ตารางท 3 ความหนาแนนของธาตในคาบท 2 ธาต เลขอะตอม ความหนาแนน (g/cm3)

Li 3

0.53

Be 4

1.85

B 5

2.34

C 6

2.26

N 7

0.8

O 8

1.15

F 9

1.5

Ne 10 1.2

สาหรบ N , O , F และ Ne พจารณาความหนาแนนในสถานะของเหลว

รปท 4 กราฟแสดงความหนาแนนของธาต 18 ธาตแรกตามเลขอะตอมทเพมขน

6. จดหลอมเหลวและจดเดอด จดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตขนอยกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ถาแรงระหวางโมเลกลมคามาก จดหลอมเหลวและจดเดอดจะมคาสง ในทางตรงกนขามถาแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมคานอยจดหลอมเหลวและจดเดอดจะมคาตา

สาหรบโลหะ อะตอมของโลหะยดเหนยวกนดวยพนธะโลหะ ซงเปนแรงยดเหนยวทแขงแรงพอประมาณ ถาพนธะโลหะมความแขงแรงมาก จะทาใหจดหลอมเหลวและจดเดอดสง ถาพนธะโลหะมความแขงแรงนอยจะทาใหจดหลอมเหลวและจดเดอดตา โดยทวไปพนธะโลหะจะแขงแรงมากขน เมอธาตนน มเวเลนซอเลกตรอนมากขน หรอเมอธาตนนมขนาดเลกลง สาหรบอโลหะ ซงเปนธาตชนดโมเลกลเดยว จะรวมกนเปนกลมกอนหรอมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลเปนแรงวนเดอรวาลส ซงเปนแรงทคอนขางออน ความแขงแรงของแรงวนเดอรวาลสขนอยกบมวลโมเลกลและขนาดของโมเลกล อโลหะทมมวลโมเลกลสง มขนาดใหญ จะมแรงวนเดอรวาลสมาก ทาใหจดหลอมเหลวและจดเดอดสงกวาพวกทมมวลโมเลกลตากวา หรอทมขนาดเลกกวา

ความสมพนธระหวางจดหลอมเหลวและจดเดอดกบตารางธาต พจารณาจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ จากกราฟตอไปน

รปท 5 กราฟแสดงจดหลอมเหลวของธาต

รปท 6 กราฟแสดงจดเดอดของธาต

จากกราฟจะพบวาแนวโนมของการเปลยนแปลงจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ ในตารางธาตตามหมและคาบซงพอสรปไดดงน

1. ธาตในหมเดยวกน ก. โลหะในหมเดยวกน คอ หม IA , IIA, และ IIIA “จดหลอมเหลวและจดเดอดม

แนวโนมลดลง เมอเลขอะตอมเพมขน” เนองจากความแขงแรงของพนธะโลหะลดลง เพราะมขนาดอะตอมใหญขน (ดตวอยางไดในตารางท 4)

ตารางท 4 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของโลหะในหมเดยวกน (หม IA) ธาต เลขอะตอม จดหลอมเหลว (0C) จดเดอด (0C) Li Na K Rb Cs

3 11 19 37 55

180 98 64 39 29

1330 892 760 688 690

ข. อโลหะในหมเดยวกน คอ หม VIA , VIIA, และ VIIIA “จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมเพมขน เมอเลขอะตอมเพมขน” เนองจากแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลคอแรงวนเดอรวาลสเพมขน เพราะมวลโมเลกลและขนาดโมเลกลเพมขน (ตวอยางดงตารางท 5)

ตารางท 5 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของอโลหะในหมเดยวกน (หม VIIA)

ธาต เลขอะตอม จดหลอมเหลว (0C) จดเดอด (0C) F Cl Br I

9 17 35 53

-220 -101 -7

114

-188 -35 59 183

หมายเหต สาหรบธาตหม IVA และ VA จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมของการเปลยนแปลงไมชดเจน เนองจากมโครงสรางและแรงยดเหนยวระหวางอะตอมทแตกตางกน 2. ธาตในคาบเดยวกน ก. โลหะในคาบเดยวกน คอ โลหะในหม IA , IIA, และ IIIA ในคาบตางๆ “จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมสงขน เมอเลขอะตอมเพมขน” เนองจากมพนธะโลหะทแขงแรงมากขน ทงนเพราะอะตอมมขนาดเลกลงและมจานวนเวเลนตอเลกตรอนเพมขน (ตวอยางดงตารางท 6)

ตารางท 6 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของโลหะในคาบเดยวกน (คาบท 2) ธาต เลขอะตอม จดหลอมเหลว (0C) จดเดอด (0C)

Li 3

180 1330

Be 4

1280 2480

B 5

2030 3930

ข. อโลหะในคาบเดยวกน คอ อโลหะ หม VA, VIA , VIIA, และ VIIIA “จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมลดตาลงเมอเลขอะตอมเพมขน” เนองจากแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลคอ แรงวนเดอรวาลสมคาลดลง เพราะขนาดของโมเลกลเลกลง โดยเฉพาะกาซเฉอยเปนกาซประเภทโมเลกลเดยว และมขนาดเลก มจดหลอมเหลวและจดเดอดตามาก ดงตวอยางในตารางท 7

ตารางท 7 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของอโลหะในคาบเดยวกน (คาบท 2) ธาต เลขอะตอม จดหลอมเหลว (0C) จดเดอด (0C)

N 7

-210 -200

O 8

-219 -180

F 9

-220 -190

Ne 10

-250 -245

อาจแสดงแนวโนมของการเปลยนแปลงจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ ตามหมและตามคาบ (ยกเวนธาตแทรนซชนและธาตบางธาต) ไดดงแผนภาพตอไปน

รปท 7 แผนภาพแสดงแนวโนมของจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ

รปท 8 แผนภาพแสดงแนวโนมการเปลยนแปลงสมบตตางๆ ในหมและคาบเดยวกน

(หวลกศร หมายถง มคามาก) *****************************************************************************

ใบความรท 10 เรอง เลขออกซเดชน

********************************************************

เลขออกซเดชน (Oxidation number) เลขออกซเดชน เปน คาประจไฟฟา หรอประจสมมตของอะตอมหรอไอออนของธาต โดย

คดจากจานวนอเลกตรอนทใหหรอรบตามเกณฑทกาหนดขน เมอธาตตางๆ รวมกนเปนสารประกอบธาตทใหอเลกตรอนจะมเลขออกซเดชนเปนบวก

และมคาเทากบจานวนอเลกตรอนทใหนน สวนธาตทรบอเลกตรอนจะมเลขออกซเดชนเปนลบ และมคาเทากบจานวนอเลกตรอนทรบนน

ตวอยางเชน Zn เมอเกดเปนสารประกอบ จะใหอเลกตรอน 2 ตว กลายเปน Zn2+ ดงนนจงมเลขออกซเดชน +2

Na เปน Na+ ใหอเลกตรอน 1 ตว จงมเลขออกซเดชน = +1 Al เปน Al3+ ใหอเลกตรอน 3 ตว จงมเลขออกซเดชน = +3 Cl เปน Cl- รบอเลกตรอน 1 ตว จงมเลขออกซเดชน = -1 O เปน O2- รบอเลกตรอน 2 ตว จงมเลขออกซเดชน = -2 การพจารณาการใหหรอรบอเลกตรอนจะใชเกณฑจากคาอเลกโทนเนกาตวต ธาตทมคาอ

เลกโทรเนกาตวตสงกวาจะเปนฝายรบอเลกตรอน ในขณะทธาตซงมคาอเลกโทรเนกาตวตต ากวาจะเปนฝายใหอเลกตรอน

โดยทวๆ ไปเมอใชคาอเลกโทรเนกาตวตเปนเกณฑ ธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวตต าจะมเลขออกซเดชนเปนบวก และธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวตสงกวาจะมเลขออกซเดชนเปนลบ ธาตบางชนด เชน ธาตแทรนซชน (Mn, Fe, Co, Ni) ธาตอโลหะหม VA (P, N) หม VIA (O, S) หม VIIA (Cl, Br , I) อาจจะมเลขออกซเดชนไดทงคาบวก ลบ ศนย ทงนขนอยกบคาอเลกโทรเนกาตวตเปรยบเทยบระหวางอะตอมของธาตในสารประกอบนน

เชน เลขออกซเดชนของ Cl ใน HCl , Cl2 , HClO , HClO2 , HClO3 ,และ HCkO4 มคาเปน -1 , 0, +1, +3, +5, และ +7 ตามลาดบ

เลขออกซเดชนของ Mn ใน Mn, Mn(OH)2 , Mn(OH)3 , MnO2 , K2MnO4 และ KMnO4 เปน 0, +2, +3, +4, +6, และ +7 ตามลาดบ

ก. วธคดเลขออกซเดชนในสารประกอบไอออนก เนองจากธาตทรวมกนเปนสารประกอบไอออนก มการใหและรบอเลกตรอน อยางชดเจน

จงแสดงคาประจไฟฟาทชดเจน ทาใหหาคาของเลขออกซเดชนไดงาย เชน Na ใหอเลกตรอน 1 อเลกตรอนแก Cl ทาใหเปน Na+ และ Cl- เพราะฉะนนเลขออกซเดชนของ Na = +1 และ Cl = -1

ข. วธคดเลขออกซเดชนในสารประกอบโคเวเลนต เนองจากธาตทมารวมกนเปนสารประกอบโคเวเลนตมแตการใชอเลกตรอนรวมกนโดยไม

มการใหหรอรบอเลกตรอน การพจารณาเลขออกซเดชนจงตองพจารณาจากจานวนอเลกตรอนทใชรวมกน โดยถอวา อเลกตรอนทใชรวมกนทงหมด เปนของธาตทมอเลกโทรเนกาตวตสงกวา ซงทาใหธาตดงกลาวมเลขออกซเดชนเปนลบ

พจารณาตวอยางตอไปน

H + Cl H Cl

HCl มการใชอเลกตรอน 1 ค โดยท Cl มอเลกโทรเนกาตวตสงกวา H ดงนน อเลกตรอนท

ใชรวมกนจงเปรยบเสมอนกบเปนของ Cl ทาใหไดอเลกตรอนเกน 1 อเลกตรอน เลขออกซเดชนของ Cl จงเปน -1 ในขณะทของ H เปน +1

C + O CO O มการใชอเลกตรอนรวมกน 2 ค โดยท O มอเลกโทรเนกาตวตสงกวา C จานวน

อเลกตรอนทใชรวมกนทงหมดจงเปนของ O เทากบวา O ทางซาย ไดรบอเลกตรอนจาก C มา 2 อเลกตรอน ในทานองเดยวกน O ทางขวากรบอเลกตรอนจาก C 2 อเลกตรอน ดงนน O แตละอะตอมจงคลายกบไดรบ 2 อเลกตรอน จงมเลขออกซเดชนเปน -2 ในขณะท C เสยอเลกตรอน จงมเลขออกซเดชนเปน +4

จากวธการหาเลขออกซเดชนดงกลาว จงไดนามาสรปเปนกฎเกณฑดงน

เกณฑกาหนดคาเลขออกซเดชนของธาตตางๆ 1. ธาตอสระทกชนด มเลขออกซเดชน = 0 ธาตอสระดงกลาวไมวาจะอยในรปของอะตอม หรอโมเลกล ไมวาจะมกอะตอมในโมเลกล

เชน Na , H2 , S8 , P4 ตางกมเลขออกซเดชนเปน 0 2. เลขออกซเดชนของไอออน = ประจของไอออน เชน Mg2+ มเลขออกซเดชน = +2 Al3+ มเลขออกซเดชน = +3 S2- มเลขออกซเดชน = -2

3. เลขออกซเดชนของธาตบางชนดในสารประกอบมคาเฉพาะตวดงน ก. เลขออกซเดชนของโลหะแอลคาไล ไดแก โลหะหม IA เชน Li , Na, K, Rb ,

Cs ในสารประกอบมคาเทากบ +1 ข. เลขออกซเดชนของโลหะแอลคาไลนเอรท ไดแก โลหะหมท IIA เชน Mg , Ba

, Ca ในสารประกอบมคาเทากบ +2 ค. เลขออกซเดชนของออกซเจน (O) ในสารประกอบทวไปมคาเทากบ -2 ยกเวน - สารประกอบเปอรออกไซด เชน H2O2 BaO2 Na2O2 O มเลขออกซเดชนเปน -1

- สารประกอบซเปอรออกไซด เชน NaO2 KO2 O มเลขออกซเดชนเปน -1/2 ใน OF2 เปน +2

ง.เลขออกซเดชนของไฮโดรเจนในสารประกอบทวไปเปน +1 ยกเวน ในสารประกอบไฮไดรด เชน NaH, CaH2 , AlH2 , เปน -1

4. ในสารประกอบใดๆ “ผลรวมของเลขออกซเดชนของทกอะตอมเทากบศนย” เชน เลขออกซเดชนของสารประกอบ KMnO4 = 0 เลขออกซเดชนของสารประกอบ MnO2 = 0 5. ในไอออนทประกอบดวยอะตอมมากกวา 1 ชนด “ผลรวมของเลขออกซเดชนของทกๆ

อะตอมเทากบประจของไอออน” เชน เลขออกซเดชนของ MnO4

- = -1 เลขออกซเดชนของ Cr2O7

2- = -2

**************************************************************************