ใบความรท 1แบบจำาลองอะตอมของดอลตน และ แบบจำาลอง

อะตอมของทอมสน***************************************************

***** ครศกดอนนต อนนตสขอะตอม มาจากภาษากรกวา “atomos” ซงแปลวา แบง“

แยกอกไมได หมายความวา อะตอม” คอ หนวยยอยทเลกทสดซงไมสามารถแบงใหเลกลงไปไดอก แนวความคดดงกลาวนไดจากนกปราชญชาวกรก ชอ ดโมครตส (Demokritos)

เนองจากอะตอมมขนาดเลกมากจงยงไมเคยมใครมองเหนดวยตาเปลา แมแตใชกลองจลทรรศนอเลกตรอน กยงไมสามารถมองเหนอะตอมได จนในปจจบนไดมการพฒนากลองจลทรรศนสนามไอออนทมกำาลงขยายสงถง 750,000 เทาจงสามารถถายภาพปลายเขมของธาตรเนยม (Rhenium) ซงเชอกนวาเปนภาพของอะตอมได แมวาจะถายภาพทเช อวาเปนอะตอมได แตจากภาพถายดงกลาวกยงไมสามารถบอกรายละเอยดภายในอะตอมได

การทอะตอมมขนาดเลกมากจนไมสามารถมองเหนได การศกษาเกยวกบอะตอมจงใชวธการสนนษฐาน โดยใชขอมลตาง ๆ ทไดจากการทดลอง นำามาสรางมโนภาพหรอแบบจำาลองของอะตอมขนมา แบบจำานองอะตอมมหลายแบบ แตละแบบไดถกกำาหนดขนมาโดยอาศยการทดลองเปนหลก ในขนแรกมขอมลเกยวกบอะตอมจำานวนนอย ลกษณะของแบบจำาลองอะตอมกเปนอยางหนง เมอมขอมลเพมขนจนแบบจำาลองนนไมสามารถอธบายขอมลทไดจากการศกษาใหม ๆ กจำาเปนตองมการแกไขแบบจำาลองอะตอม ดงนนแบบจำาลองอะตอมจงไดมการพฒนาและเปลยนแปลงไปไดเร อย ๆ แมกระทงในปจจบน

แบบจำาลอง คอ มโนภาพทสรางขนโดยอาศยขอมลทไดจากการทดลอง แบบจ ำาลองทางวทยาศาสตร เป นมโนภาพทน กวทยาศาสตรสรางขน เพอบอกลกษณะของสงทมองไมเหน เชน อะตอม นอกจากนแบบจำาลองยงใชเปนคำาอธบายสงหนงสงใดกได แบบจำาลองสามารถเปลยนแปลงไดเม อขอมลจากการทดลองเปลยนแปลงไป

แบบจำาลองอะตอมของดอลตน นกวทยาศาสตรทเสนอแบบจำาลองเปนคนแรก คอ จอหน ดอลตน (Jhon Dalton) โดยเสนอความคดเหนเกยวกบอะตอมไวในป พ.ศ. 2346 ซงมขอความทสำาคญสรปไดดงน

1. สารแตละชนดประกอบดวยอนภาคเลก ๆ เรยกวาอะตอม ซงแบงแยกไมได

2. อะตอมจะทำาใหเกดใหมหรอสญหายไปไมได3. อะตอมของธาตชนดเดยวกนมสมบตเหมอนกนและแตก

ตางจากอะตอมของธาตอน4.สารประกอบเกดจากการรวมตวกนของอะตอมของธาตตาง

ชนดกนดวยอตราสวนของจำานวนอะตอมคงทเปนเลขลงตวนอย ๆ5.โมเลกลของสารประกอบชนดเดยวกนยอยมสมบตเหมอน

กน และ แตกตางจากโมเลกลของสารประกอบอน ๆ

จากแนวคดของดอลตนทวา อะตอมเปนหนวยทเลกทสดซงแบงแยกไมได ทำาใหไดแบบจำาลองอะตอมของดอลตน เปน ทรง“กลมทมขนาดเลกทสด ซงแบงแยกไมได”

แบบจำาลองอะตอมของดอลตนใชอธบายเกยวกบกฏทรงมวลสารสมพนธได จงเปนทยอมรบกนในสมยนน และทำาใหนกวทยาศาสตรเรมหนมาสนใจศกษาเกยวกบอะตอมมากขน ตอมาเมอการศกษาไดพฒนามากขน พบขอมลเกยวกบอะตอมมากขน ขอมลใหม ๆ เหลานบางประการกไมสอดคลองกบแนวความคดของดอลตน เชน พบวาอะตอมไมใชหนวยทเลกทสด อะตอมยงสมารถมอนภาคยอย ๆ ลงไปไดอกก อะตอมของธาตชนดเดยวกนกอาจไมจำาเปนตองมสมบตตาง ๆ เหมอนกนทกประการ เชน มมวลตางกนได (คอไอโซโทป ซงจะไดกลาวในรายละเอยดตอไป ) นอกจากนขอมลบางเร องกไมสามารถอธบายไดโดยแนวความคดของดอลตน เชน ปรากฏการณทเกดขนในหลอดรงสแคโทด นกวทยาศาสตรคนตอ ๆ มาจงไดพยายามเสนอแบบจำาลองอะตอมชนดใหม

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนป จจ บนทราบว า ไฟฟาม 2 ชน ด ค อ ไฟฟาสถ ต ก บ

ไฟฟากระแสก. ไฟฟาสถต หมายถง อำานาจไฟฟาทเกดขนเฉพาะแหง

เนองจากประจไฟฟาไมเคลอนทในวตถชนดนน ๆ เชน เมอถแทงพลาสตกดวยผาสกหลาด แทงพลาสตกบรเวณทมการถจะแสดงอำานาจไฟฟาได การทเปนเชนนเนองจากขณะทน ำาพลาสตกไปถผาสกหลาด จะทำาใหประจไฟฟาทอยในพลาสตกแยกออกจากกน และแสดงอำานาจไฟฟาบวกหรอลบ แลวแตวาบรเวณนนจะมประจชนดใดมากกวากน อำานาจไฟฟาจงเกดขนบรเวณทถ

จากความรเรองไฟฟาสถต ทำาใหนกวทยาศาสตรเชอวาสารตาง ๆ จะมประจไฟฟา 2 ชนด คอประจไฟฟาบวกและประจไฟฟาลบ การทวตถไมแสดงอำานาจไฟฟาหรอเปนกลางทางไฟฟานนเปนเพราะ

วามปรมาณของประจบวกและลบเทากน เมอน ำามาเชอมโยงกบอะตอมทำาใหเชอกนวาอะตอมกควรจะมประจเชนเดยวกน อะตอมทเปนกลางจะมประจบวกและลบเทากน ดงนนอะตอมจงไมควรจะเปนหนวยทเลกทสด

ข. ไฟฟากระแส หมายถง อำานาจไฟฟาทเก ดจากการเคลอนทของประจไฟฟาผานตวกลาง ตวกลางทยอมใหประจไฟฟาเคลอนทผานเรยกวา ตวนำา เชน โลหะตาง ๆ สวนตวกลางทไมยอมใหประจไฟฟาผานเรยกวา ฉนวนการนำาไฟฟาของสารละลาย

สารทเปนตวนำา หรอ ฉนวนไฟฟาไมจำาเปนตองเปนของแขงเสมอไป อาจจะเปนของเหลวหรอสารละลายกได ในกรณทเปนสารละลาย ถาเปนสารละลายทนำาไฟฟาไดเรยกวา สารละลายอเลก“โทรไลต(Electrolytic solution)” เชน สารละลายกรดเกลอ ถ าน ำาไฟฟาได มากเรยกวา สารละลายอเล กโทรไลตแก เชน สารละลายโซเดยมคลอไรด ถานำาไฟฟาไดนอยเรยกวา สารละลายอเลกโทรไลตออน เชน สารละลายกรดอะซตก ถาเปนสารละลายทไมน ำา ไ ฟ ฟ า เ ร ย ก ว า ส า ร ล ะ ล า ย น อ น อ เ ล ก โ ท ร ไ ล ต “ (Non-electrolytic solution)” เชน สารละลายกลโคส

ของแขงน ำาไฟฟาได เพราะมประจเคลอนทในตวน ำาท เป นของแขงนน แตสำาหรบสารละลายอเลกโทรไลต นำาไฟฟาได เพราะในสารละลายมไอออนซงมประจไฟฟาเรยกวา ไอออนบวก และไอออนลบ กลาวคอ เมอสารละลายในนำาจะมการแตกตวออกเปนสองสวน และมประจตรงกนขามกน แตละสวนเรยกวา ไอออน ไอออนสวนหนงจะมประจไฟฟาบวก เรยกวา ไอออนบวก ไอออนอกสวนหนงจะมประจไฟฟาลบเรยกวา ไอออนลบ (มปรมาณเทากบไอออนบวก) เมออยในสนามไฟฟา ไอออนบวกจะเคลอนทเขาหาขวไฟฟาลบ และไอออนลบจะเคลอนทเขาหาขวไฟฟาบวก ไอออนบวกทเคลอนทเขาหาขวไฟฟาลบจะไปรบประจลบหรออเลกตรอน สวน

ไอออนลบทเคลอนทเขาหาขวไฟฟาบวกจะเปนตวพาประจลบไปใหขวไฟฟา ไหลวนเวยนกนอยในสารละลาย จงกอใหเกดการนำาไฟฟาขน

การนำาไฟฟาของกาซทความดนปกตกาซจะไมนำาไฟฟา แมวาจะเพมความตางศกย

ระหวางขวไฟฟาใหมากขน แสดงวากาซเปนฉนวนไฟฟา ความตางศกยทใชตามบานคอ 220 โวลต กาซจะไมนำาไฟฟา แตในบางโอกาสจะพบวากาซสามารถนำาไฟฟาได เชน การเกดฟาแลบ หรอฟาผาในขณะทมพายฝนฟาคะนอง จากการศกษาการนำาไฟฟาของกาซพบวา กาซจะนำาไฟฟาไดดขนถาความดนของกาซตำาลง และความตางศกยระหวางขวไฟฟามากขน

หลอดรงสแคโทด

หลอดรงสแคโทด เปนเคร องมอทใชทดลองเกยวกบการนำาไฟฟา ประกอบดวยเคร องกำาเนดไฟฟากระแสตรง ศกยสง และหลอดแกวบรรจกาซซงมความดนตำา ปลายขางหนงของหลอดแกวจะมขวไฟฟาแอโนด อกปลายหนงจะเปนขวแคโทด เมอตอไฟฟาใหครบวงจรดงรป จะสามารถตรวจสอบการไหลของไฟฟา รวมทงสามารถศกษาการเปลยนแปลงในหลอดรงสแคโทดไดโดยการใชฉากเรองแสง

เดมวลเลยม ครกส (William Crookes) ไดสรางหลอดรงสแคโทดขนมาโดยใชแผนโลหะ 2 แผน เปนขวไฟฟา หลงจากตอขวไฟฟาทงสองเขากบเครองกำาเนดไฟฟา โดยใหขวไฟฟาทตอกบขวลบของเครองกำาเนดไฟฟาเปนขวลบเรยก แคโทด และขวบวกตอกบขวบวกของเครองกำาเนดไฟฟาเรยกวา แอโนด เมอใชความตางศกยระหวางขวไฟฟานอย ๆ จะพบวามการนำาไฟฟานอยมาก เมอสบเอากาซในหลอดรงสออกจนเกอบหมดและใชความตางศกยระหวางขวประมาณ 10,000 โวลต จะพบวามการนำาไฟฟาไดดยงขน และมแสงสเขยวพงออกมาจากแคโทด จงไดเรยกรงสแคโทด รงสนสามารถทำาให ZnS เกดการเรองแสงได

โดยทว ๆ ไป พบวารงสแคโทดจะเดนทางเปนเสนตรงจากขวแคโทดไปยงแอโนด และรงสนสามารถเบยงเบนในสนามแมเหลกและสนามไฟฟาได

ปรากฏการณทเกดขนในหลอดรงสแคโทดทำาให เซอรโจเซฟ จอหน ทอมสน (Sir Loseph John Thomson) สนใจมาก และไดทำาการทดลองเกยวกบการนำาไฟฟาของกาซในหลอดรงสแคโทดเพมเตมอกจำานวนมาก นอกจากนยงมนกวทยาศาสตรอน ๆ ท สนใจเก ยวก บ เร องน เช น ย จ น โกลด ส ไตน (Eugene Goldstein) และวลเฮลม วน (Wilhelm Wein) เปนตน

ทอมสนไดทดลองเกยวกบหลอดรงสแคโทดเพมเตมอกจำานวนมาก โดยดดแปลงลกษณะของหลอดรงสแคโทดจากเดมเลกนอย เชนมการเตมฉากเรองแสงไวในหลอดรงสดวย ดงในรป และทอมสนไดนำาผลการทดลองในลกษณะตาง ๆ มาสรปเกยวกบแบบจำาลองอะตอม โดยทำาเปนขน ๆ ดงน

1. บรรจกาซชนดหนงในหลอดรงสแคโทดทภายในมขวไฟฟาแอโนด และแคโทดตออยกบเครองกำาเนดไฟฟากระแสตรง ศกยสง ทขวแอโนดเจาะรเลก ๆ ตรงกลาง และปลายดานหนงของหลอดรงสมฉากเรองแสง ก. ทำาดวย ZnS วางไว นำาหลอดรงสนตอเขากบเครองสบสญญากาศ

ในตอนแรกความดนในหลอดแกวมมาก จะยงไมเหนการเปลยนแปลงใด ๆ ทฉากเรองแสง แมวาจะใชศกยไฟฟาสง ๆ ตอเมอลดความดนในหลอดแกวใหตำาลงมาก ๆ จนเกอบเปนสญญากาศ จะพบวามจดเรองแสง หรอมจดสวางบนฉากเรองแสง ก.

เนองจาก ZnS มสมบตพเศษทวา ถาอนภาคมประจมากระทบจะทำาใหเกดการเรองแสงขน ดงนนจากผลการทดลองทำาใหทอมสนตงสมมตฐานวา จะตองมรงสชนดหนงซงมประจไฟฟาพงเปนเสนตรงจากขวแคโทดมายงฉากเรองแสง ก. ซงรงสนอาจจะเกดจากกาซทมอยในหลอดแกวนน หรออาจจะเกดจากโลหะททำาขวไฟฟากได ซงทอมสนยงไมทราบ รวมทงยงไมทราบวารงสทพงออกมา

นนมประจเปนอยางไร ดงนนจงไดทดลองตออก อยางไรกตามเมอถงขนนทอมสนไดคาดวาอะตอมคงจะไมใชเปนทรงกลมตนดงแบบจำาลองของดอลตนแน แตจะตองมอนภาคเลก ๆ ทมประจเปนองคประกอบดวย

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

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

เมอทดลองถงขนน ทำาใหทอมสน ตงสมมตฐานขนวาอะตอมประกอบดวยอนภาคเลกๆ ทสวนหนงมประจลบ แตยงไมทราบวาอนภาคทมประจลบเหลานเกดจากกาซในหลอดรงสหรอเกดจากขวไฟฟา และไมทราบวารงสแคโทดนจะเหมอนกนหรอไม จะประกอบดวยอนภาคชนดเดยวกนหรอไม ถาใชกาซตางชนดกนจะมลกษณะเหมอนหรอตางกนอยางไร

3. ทอมสนศกษาสมบตขงรงสแคโทดตอไป โดยหาอตราสวนระหวางประจตอมวลของรงสนน ทงนอาศยหลกทวานอกจากรงสแคโทดจะเบยงเบนไดในสนามไฟฟาแลว ยงสามารถเบยงเบนไดในสนามแมเหลกดวย

ในตอนแรกทอมสนไดทดลองเปลยนกาซชนดตาง ๆ ในหลอดรงสแคโทดแลวทดลองในทำานองเดยวกน ปรากฏผลการทดลองไดผลเหมอนเดม และเมอลองเปลยนชนดของขวไฟฟาทใชทำาแคโทดกยงคงพบวาไดผลการทดลองเหมอนเดม คอจะมรงสทประกอบดวยอนภาคทมประจลบพงมาทฉากเรองแสง ก. และรงสเกดการเบยงเบนเขาหาขวบวกของสนามไฟฟา จงทำาใหไมสามารถจะพสจนวาอนภาคทมประจลบนนเปนอนภาคชนดเดยวกนหรอไม ดงนนทอมสนจงไดทำาการทดลองตอโดยนำาหลอดรงสวางไวในสนามแมเหลก ทงนในทศทางของสนามแมเหลกตงฉากกบสนามไฟฟาดงรป ในชวงแรกทใสสนามแมเหลกเขาไป จดสวางบนฉากเรองแสง ก. จะ

เบยงเบนขนดานบน เมอใสสนามแมเหลกเขาไป และเพมอำานาจสนามแมเหลกทละนอยจะพบวาจดสวางบนฉากเรองแสง ก. คอย ๆ มการเบยงเบนนอยลง คอ จดเรองแสงคอย ๆ กลบมาสตำาแหนงเดมของตอนทไมมสนามไฟฟา แสดงวาในขณะนความแรงของสนามไฟฟามคาเทากบความแรงของสนามแมเหลก จดสวางบนฉากเรองแสงจงไมมการเบยงเบน

เมอนำาความแรงเนองจากสนามไฟฟา และความแรงเนองจากสนามแมเหลกทกระทำาตออนภาคลบมาคำานวณอตราสวนของประจตอมวล (e/m) ของอนภาคลบนน ปรากฏวาไดคาคงทเทากนทกครง ไมวาทอมสนจะใชกาซชนดใด หรอไมวาจะใชโลหะใดเปนแคโทด คอได

me = 1.7 X 108 คลอมบ/กรม

จากผลการทดลองและผลการคำานวณ ทำาใหทอมสนสรปวา อนภาคลบในรงสแคโทดจะตองมลกษณะเหมอนกน และอะตอมทก“

ชนดยอมจะมอนภาคทมประจลบเปนองคประกอบเหมอนกน และเรยกอนภาคลบนวาอเลกตรอน”

เมอทดลองถงตอนนทำาใหทอมสนสรปไดวา อะตอมไมใชสงทเลกทสด อะตอมของธาตทกชนดจะตองประกอบดวยอเลกตรอนและอนภาคอน ๆ ซงในขณะนนยงไมทราบ

การคนพบโปรตอนเนองจากอะตอมเปนกลางทางไฟฟา และการทพบวาอะตอม

ของธาตทกชนดจะตองประกอบดวยอเลกตรอนซงมประจลบ ทำาใหนกวทยาศาสตรเชอวา องคประกอบอกสวนหนงของอะตอมจะตองมอนภาคทมประจบวกอยดวย

อ อ ย เ ก น โ ก ล ด ส ไ ต น (Eugen Goldstein) น กวทยาศาสตรชาวเยอรมน ไดท ำาการทดลองเกยวกบหลอดรงสแคโทด โดยดดแปลงหลอดรงสแคโทดเลกนอย ดงในรป

โกลดสไตนไดเลอนขวแคโทดและแอโนดมาไวเกอบตรงกลาง แลวเพมฉากเรองแสง ข. ทปลายอกดานหนงของหลอดแกว โดยคดวาการทอนภาคทมประจลบสามารถเคลอนทผานขวแอโนดไปทฉากเรองแสง ก. ได อนภาคทมประจบวกกควรจะเคลอนทผานแคโทดไปทฉากเรองแสง ข. ไดเชนเดยวกน ดงนนจงเจาะรตรงกลางของขวแอโนดและแคโทดไว จากการทดลองเมอผานกระแส

ไฟฟา ปรากฏวามจดสวางเกดขนทงบนฉากเรองแสง ก. และ ข. ซงโกลดสไตนอธบายวาจดสวางทเกดบนฉากเรองแสง ข. จะตองเกดจากรงสทประกอบดวยอนภาคทมประจไฟฟาบวกเคลอนทผานรตรงกลางของแคโทดไปยงฉากเรองแสง แตยงไมทราบวารงสทมประจไฟฟาบวกนเกดจากอะตอมของกาซหรอเกดจากอะตอมของขวไฟฟา และมลกษณะเหมอนกนหรอไม

จากการทดลองหลายคร ง ๆ โดยการเปลยนชนดของกาซในหลอดแกว ปรากฏวาอนภาคทมประจบวกเหลานมอตราสวนของประจตอมวลไมเทากน ขนอยกบชนดของกาซทใช และเมอทดลองโดยเปลยนโลหะทใชทำาขวไฟฟาหลาย ๆ ชนด แตใชกาซในหลอด แกวชนดเดยวกน ปรากฏวาผลการทดลองไดอตราสวนของประจตอมวลเทากน แสดงวาอนภาคบวกในหลอดรงสแคโทดเกดจากกาซ ไมไดเกดจากขวไฟฟา

ตอมาโกลดสไตนไดพบวาถาทำาการทดลองโดยใชกาซไฮโดรเจน จะไดอนภาคบวกทมจำานวนประจเทากบประจของอเลกตรอน และเรยกอนภาคบวกทเกดจากกาซไฮโดรเจนวา โปรตอน อะตอม“ ”ของกาซไฮโดรเจนจะม 1 โปรตอน และอะตอมของธาตอน ๆ อนภาคบวกจะมมากกวา 1 โปรตอน แตจ ำานวนโปรตอนและอเลกตรอนเทากน

จากผลการทดลองทผานมา ทงของทอมสน และโกลดสไตน ทำาใหทอมสนไดขอมลเกยวกบอะตอมมากขน จงไดเสนอแบบจำาลองอะตอมดงน

“อะตอมมล กษณะเปนทรงกลม ประกอบดวยอนภาคโปรตอนทมประจบวกและอนภาคอเลกตรอนซงมประจลบกระจายอยทวไปอยางสมำาเสมอในอะตอม อะตอมในสภาพทเปนกลางทางไฟฟาจะมจำานวนประจบวกเทากบประจลบ”

ทอมสนไดนำาแบบจำาลองดงกลาวมาอธบายผลการทดลองดงน เมออะตอมของโลหะทเปนขวไฟฟาแคโทดไดรบพลงงานจากเครองกำาเนดไฟฟา จนกระทงพลงงานนนมคามากพอทจะทำาใหเกดการแตกตว (Ionization) ใหอเลกตรอนออกมา

พลงงาน + M (s) M (g) M+ (g) + e-

M คอ อะตอมของโลหะทเปนขวแคโทดอเลกตรอนทออกมาจากแคโทดจะเคลอนทไปยงแอโนด ซงใน

ขณะทเคลอนทจะมการชนอะตอมของกาซทอยภายในหลอดดวย เนองจากอเลกตรอนทออกมาจากแคโทดมพลงงานตดตวออกมาดวย เมอมการชนกบอะตอมของกาซจะมการถายเทพลงงาน ซงถามการชนทแรงพอจนทำาใหอะตอมของกาซทถกชนเกดการแตกตวใหอเลกตรอนและอนภาคทมประจบวกออกมาเชนเดยวกน

อเลกตรอนจากขวไฟฟา ชน A (g) A+ (g) + e-

อเลกตรอนทงหมดจากขวไฟฟาและจากกาซซงเรยกรวมกนวารงสแคโทดจะพงไปยงขวแอโนด บางสวนจะวงผานรทเจาะไวตรงกลางขวแอโนดไปกระทบฉากเรองแสงทำาใหเกดจดสวางบนฉากเรองแสงขน เนองจากอะตอมของธาตทกชนดประกอบดวยอเลกตรอนอยางเดยวกน ดงนนไมวาจะใชโลหะใดเปนขวไฟฟา หรอใชกาซใดใสในหลอดแกว จะไดรงสแคโทดนดเดยวกน อตราสวนระหวางประจตอมวลจงเทากน

ในขณะทอเลกตรอนวงไปยงแอโนด อนภาคทมประจบวก คอ A+ จะวงไปยงแคโทด และบางสวนจะผานแคโทดตรงรทเจาะไวตรงกลางกระทบกบฉากเรองแสง ทำาใหเกดจดสวางบนฉากเรองแสงขน แตเนองจากอะตอมของกาซแตละชนดมมวลไมเทากน ดงนนอตราสวนของประจตอมวลของอนภาคบวกจงไมเทากน (สำาหรบกาซตางชนดกน)

เชน He (g) He+(g) + e-

H (g) H+(g) + e-

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

การหาคาประจของอเลกตรอนใน พ.ศ. 2451 โรเบรต แอนดรส มลลแกน (Robert

Andrews Millikan) นกวทยาศาสตรชาวอเมรกาไดท ำาการทดลองหาคาประจของอเลกตรอน โดยใชการทดลองทเรยกวา “Oil drop experiment”

เครองมอประกอบดวยขวไฟฟา 2 ขว ตออยกบเครองกำาเนดไฟฟา ขวไฟฟาบนเปนขวบวก และขวไฟฟาดานลางเปนขวลบ ขวไฟฟาทง 2 ใสไวในกลองซงมอากาศอยภายใน

เมอพนหยดนำามนเมดเลก ๆ เขาไประหวางขวไฟฟาทงสอง เนองจากนำามนแตละหยดมมวล ดงนนจงถกแรงดงดดของโลกทำาใหตกลงมาสดานลาง ในขณะทเมดนำามนยงไมมประจไฟฟา การทจะบงคบใหเคลอนทขนลงจงยงทำาไมได ดงนนในตอนแรกจงตองเตมประจลงบนหยดนำามนกอนโดยการฉายรงสเอกซ ( X-Ray) เขาไป รงสเอกซจะไปชนกบอากาศภายในกลอง ทำาใหอะตอมของอากาศเกดการแตกตว

X-rays A (g) A+ (g) + e-

รปท 1.10 แรงทกระทำาตอหยดนำามน

อนภาคบวกและอเลกตรอนทเกดขนจะไปเกาะทหยดนำามน ทำาใหหยดนำามนเกดประจ อเลกตรอนทไปเกาะทหยดนำามนอาจจะไปเกาะเพยง 1 ตว หรอหลายๆ ตวกได เชนเดยวกบอนภาคบวกกจะไปเกาะทหยดนำามน ซงอาจจะมอนภาคบวกหลายตวทหยดนำามน 1 หยด เมอหยดนำามนมประจในขณะทกำาลงเคลอนทลงมาดวยแรงดงดดของโลก ถาใสสนามไฟฟาเขาไปในระหวางขวไฟฟาทงสอง ขวไฟฟาบวกขางบนจะดงดดกบหยดนำามนทมอเลกตรอนเกาะอย สวนขวไฟฟาลบขางลางจะดงดดกบอนภาคบวกทำาใหหยดนำามนทมอนภาคบวกเคลอนทลงไดเรวขน ซงในทนจะไมขอกลาวถงอนภาคบวก แตจะกลาวถงรายละเอยดเกยวกบอเลกตรอนเทานน

ในขณะทใสสนามแมเหลกเขาไป หยดนำามนทมอเลกตรอนเกาะอยจะมประจเปนลบ และถกดงดดใหลอยขนไปหาขวบวก ดงนนในตอนแรกหยดนำามนเหลานจะเคลอนทลงไดชา และเมอเพมศกยไฟฟาระหวางขวใหมากขน จนกระทงแรงดงดดเนองจากขวไฟฟากบอเลกตรอนบนหยดนำามนเทากบแรงเนองจากแรงดงดดของโลก หยดนำามนเหลานนจะลอยนง ซ งสามารถนำามาคำานวณคาของประจไฟฟาของอเลกตรอนแตละตวได

ถา m = มวลของหยดนำามนg = คาคงทของแรงดงดดของโลก

F1 = แรงเนองจากแรงดงดดของโลกตอหยดนำามน

F1 = mg ถา E = สนามไฟฟา

q = ประจไฟฟาบนหยดนำามนF2 = แรงเนองจากสนามไฟฟาตอหยด

นำามนF2 = Eq

เมอพจารณาหยดนำามนทลอยนง หยดใดหยดหนง จะไดวาแรงเนองจากแรงดงดดของโลก = แรงเนองจาก

สนามไฟฟา mg = Eqหรอ q =

Emg

คา E และ g สามารถหาไดจากเคร องมอทใช สวน m ซงเปนมวลของหยดนำามนหาไดจากสตร m = 3

4

r 3dเมอ r = รศมของหยดนำามน d = ความหนาแนนของนำามน

จะเหนไดวา คา m , g และ E สามารถหาได ดงนนจงคำานวณประจทอยบนหยดนำามนได จากการทดลองพบวาประจทอยบนหยดนำามนนนมค าเทากบ 1.60x 10-19 คลอมบ หรอเปนจำานวนเทาของ 1.60x10-19 คลอมบ เชน 2x1.60x 10-19 , 3 x1.60x10-19 คลอมบ เปนตน แสดงวาจำานวนประจทอยบนหยดนำามนทมคานอยทสดคอ 1.60x10-19 คลอมบ จำานวนประจอน ๆ จะเปนจำานวนเทาของ 1.60x10-19 ดงนนคาของประจ 1.60x10-19 คลอมบ จงเปนคาประจของอเลกตรอน 1 ตว กลาวคอ

ถามอเลกตรอน 1 ตว เกาะบนหยดนำามน จะไดประจ = 1.60x10-19 คลอมบ

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

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

ดงนน จากการทดลองของมลลแกนไดประจของอเลกตรอนมคาเทากบ 1.60x10-19 คลอมบ

การคำานวณหามวลของอเลกตรอนจากการทดลองของทอมสนไดคาประจตอมวลของอเลกตรอน

คอ

me = 1.7 X 108 คลอมบ/กรม

จากการทดลองของมลลแกนไดคาประจของอเลกตรอน (e) = 1.60 x 10-19 ค

ลอมบเพราะฉะนนหามวลของอเลกตรอนได m = 9.41 x

10-28 กรม

แบบจำาลองอะตอมของทอมสนนบวาเปนกาวสำาคญเกยวกบการศกษาโครงสรางของอะตอม ทำาใหไดมโนภาพของอะตอมทถกตองยงขน แตอยางไรกตามแบบจำาลองอะตอมของทอมสนกยงไมสามารถจะอธบายผลการทดลองใหม ๆ อกเปนจำานวนมาก ซงแสดงวายงไมใชแบบจำาลองทสมบรณ เปนผลใหมการคนควาเพมเตมขน และมการเสนอแบบจำาลองใหม ๆ ขนมา

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

ใบความรท 2แบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด / เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป***************************************************

***** ครศกดอนนต อนนตสขหลงจากทไดศกษาเกยวกบสารกมมนตรงสมากขน ไดมการ

คนพบรงสตาง ๆ ซงเกดจากการสลายตวของสารกมมนตรงส เชน รงสแอลฟา ( ) เบตา () และแกรมมา () โดยเฉพาะรงสแอลฟาซงจดวาเปนอนภาคทมประจไฟฟาบวก และมมวลมากกวารงสเบตา และแกรมมา เมออนภาคแอลฟาเคลอนทไปกระทบกบอนภาคอน ๆ ทมมวลนอยกวา จงไมคอยมการเบยงเบนซงทำาใหนกวทยาศาสตรบางทานนำาเอารงสแอลฟาไปศกษาเกยวกบโครงสรางขอ ง อ ะ ต อ ม เ ช น เ อ อ ร เ น ส ต ร ท เ ท อ ร ฟ อ ร ด (Ernest Rutherford) นกวทยาศาสตรชาวนวซแลนด เปนตน

ในป พ.ศ. 2454 รทเทอรฟอรด ไดทำาการทดลองในประเภทองกฤษรวมกบ ฮนส ไกเกอร และเออรเนส มารสเดน ศกษาทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟา เมอยงอนภาคแอลฟาซงไดจากการสลายตวของสารกมมนตรงส เขาไปทแผนทองคำาบาง ๆ

รปท 1 การทดลองของรทเทอรฟอรด

การตรวจสอบทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟาหลงจากกระทบแผนทองคำาแลว ทำาไดโดยใชฉากเรองแสงขดเปนวงกลมลอมรอบแผนทองคำาไว โดยเวนทเฉพาะบรเวณทจะใหอนภาคแอลฟาผานเขามาเทานน ทก ๆ ครงทอนภาคแอลฟากระทบฉากเรองแสงจะพบวามจดสวางเกดขนทฉากเรองแสงนน (อนภาคแอลฟาคอ นวเคลยสของธาตฮเลยม ซงประจบวก ดงนนเมอกระทบฉากเรองแสงจงมจดสวางเกดขน ทำาใหทราบทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟา) จากการทดลองพบวาอนภาคแอลฟาสวนใหญจะวงเปนแนวเสนตรง ผานแผนทองคำาไปกระทบฉากเรองแสง ซ งกค อบรเวณจด ก. ทอยหลงแผนทองคำาในรป บางสวนจะเบยงเบนไปจากแนวเสนตรง คอบรเวณจด ข. ของฉากเรองแสง และมนอยครงมากทอนภาคสะทอนกลบมากระทบฉากเรองแสงทจด ค. ซงอยหนาแผนทองคำา

จากผลการทดลอง ทำาใหรทเทอรฟอรดแปลกใจมาก เพราะถานำาแบบจำาลองอะตอมของทอมสนมาอธบายทศทางทนาจะเกดขน เมอยงอนภาคแอลฟาไปทแผนทองคำา อนภาคสวนใหญควรจะเบยงเบนไปจากแนวเสนตรง ทงน เพราะตามแบบจำาลองอะตอมของทอมสน อะตอมประกอบดวยอนภาคบวกและลบ กระจายอยทวไปในอะตอม เมอยงอนภาคแอลฟาซงมประจบวกเขาไปในอะตอมของแผนทองคำา อนภาคแอลฟาควรจะผลกกบโปรตอนซงมประจบวกเหมอนกน อนจะเปนผลทำาใหทศทางของอนภาคแอลฟาเบยงเบนไปดงในรป ท 1.12 แตจากผลการทดลอง การทอนภาคแอลฟาสวนใหญวงผานแผนทองคำาเปนแนวเสนตรง จงทำาใหรทเทอรฟอรดแปลกใจมาก โดยเฉพาะอนภาคแอลฟาสวนทสะทอนกลบยงทำาใหแปลกใจมากยงขน ทงนเพราะการทอนภาคแอลฟาสะทอนกลบไดแสดงวาภายในอะตอมจะตองมสงทมมวลมากขวางทางอย เมออนภาคแอลฟาไปชนจงเกดการสะทอนกลบ แตจากแบบจ ำาลองอะตอมของทอมสนภายในอะตอมไมมสงหนงสงใดอยรวมกนเปนก

ลมเปนกอนเลย ดงนนการสะทอนกลบของอนภาคแอลฟาเปนมมมากกวา 90 องศา จงไมมทางเกดขนได จากการทแบบจำาลองอะตอมของทอมสนไมสามารถอธบายผลการทดลองได ท ำาให รทเทอรฟอรดคดวาแบบจำาลองอะตอมของทอมสนยงไมถกตอง จงเสนอแบบจำาลองอะตอมขนมาใหมเพอใชอธบายผลการทดลองดงกลาว

รปท 2 ทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟาตามแบบจำาลองอะตอมของทอมสน

การทอนภาคแอลฟาสวนใหญเคลอนทผานอะตอมของทองคำาเปนแนวเสนตรง แสดงวาภายในอะตอมทองคำาควรจะมทวางเปนจำานวนมาก และการทอนภาคแอลฟาบางสวนสะทอนกลบแสดงวาภายในอะตอมควรจะมอนภาคอะไรสกอยางทรวมกนเปนกลมกอน และมปรมาณมากพอ รวมทงมมวลมากพอทจะทำาใหอนภาคสะทอนกลบเมอกระทบถกได เนองจากภายในอะตอม (ในขณะนน) มแตอ เล กตรอนและโปรตอน โดยท อ เล กตรอนมมวลน อยมาก รทเทอรฟอรดจงคกวาอนภาคสวนทมารวมกนเปนกลมกอนจงนาจะเปนอนภาคของโปรตอน ดงนนเพอทจะอธบายผลการทดลอง รทเทอรฟอรดจงเสนอแบบจำาลองแบบใหม เรยกวา แบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด ดงน

“อะตอมมลกษณะเปนทรงกลม ประกอบดวยนวเคลยสซงกคอโปรตอนทรวมกนอยตรงกลางของอะตอม และมอเลกตรอนวงวนอยรอบ ๆ นวเคลยส นวเคลยสมขนาดเลก แตมมวลมากและมประจบวก สวนอเลกตรอนจะมมวลนอยและมประจลบ จ ำานวนอเลกตรอนจะเทากบจำานวนโปรตอน”

รปท 3 แบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดจากแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดจะเหนวาอะตอมถก

แบงเปน 2 สวน สวนท 1 คอ นวเคลยส อยตรงกลาง มขนาดเลกมากเมอเทยบกบขนาดของอะตอม สวนท 2 คอ อเลกตรอนทว งอยรอบ ๆ นวเคลยส ลกษณะของอะตอมจงเปนแบบโปรง ภายในอะตอมมชองวางอยมาก

รทเทอรฟอรดไดใชแบบจำาลองอะตอมทเสนอขนมาใหมอธบายผลการทดลองดงน

เนองจากนวเคลยสมขนาดเลกมาก เมอเปรยบเทยบกบขนาดของอะตอม ทำาใหมชองวางภายในอะตอมมาก เมอยงอนภาคแอลฟาเขาไป อนภาคสวนใหญจงสามารถวงทะลผานแผนทองคำาไปไดโดยไมมการเบยงเบน มบางคร งทอนภาคแอลฟาวงเขามาใกลนวเคลยสซงมประจบวกเหมอนกนจะถกนวเคลยสผลกออกไป ซงทำาใหทศทางของอนภาคแอลฟาเบยงเบนออกไป และนานคร ง ๆ อนภาคแอลฟาจะวงตรงไปชนกบนวเคลยสทำาใหสะทอนกลบออกมา แตเนองจากนวเคลยสมขนาดเลกมากเกนไป ดงนนโอกาศทอนภาคแอลฟาจะชนกบนวเคลยสจงนอยมาก ๆ สำาหรบอเลกตรอนทวงวน

อยรอบ ๆ นวเคลยสเนองจากมมวลนอยมาก ถงแมวาอนภาคแอลฟาจะวงมาชนกจะไมมผลทำาใหทศทางการเคลอนทของอนภาคแอลฟาเบยงเบนไป

รปท 4 การใชแบบจำาลองอธบายผลการทดลองของรทเทอรฟอรดจะเหนไดวาแบบจำาลองของอะตอมทรทเทอรฟอรดเสนอขนมา

ใหมนสามารถอธบายผลการทดลองไดเปนอยางด และตามมโนภาพของรทเทอรฟอรด มวลสวนใหญของอะตอมก ค อมวลของนวเคลยสนนเอง อเลกตรอนแมวาจะเปนสวนประกอบททำาใหอะตอมมขนาดใหญขนจะมมวลนอยมากซงจะไมมผลตอมวลของอะตอม

อยางไรกตามถงแมวาแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดสามารถใชอธบายผลการทดลองไดถกตองกวา แบบจำาลองอะตอมของทอมสน แตกยงมขอบกพรองทยงไมสามารถอธบายได เชน ทำาไมโปรตอนซงมประจบวกเหมอนกน จงรวมกนอยตรงกลางเปนนวเคลยสได ทง ๆท ควรจะผลกกน มอะไรมายดโปรตอนใหรวมกนได และทำาไมอเลกตรอนทวงอยรอบ ๆ นวเคลยสจงไมผลกกน ทง ๆ ทมประจลบเหมอนกน รวมทงท ำาไมจงไมถกด งดดเขาไปทนวเคลยส ซงเปนเหตทตองมการปรบปรงและเสนอแบบจำาลองใหม ๆ ขนมา-----------------------------------------------------------------------

---------------------------------------------อนภาคมลฐานของอะตอม

จากการศกษาเกยวกบโครงสรางอะตอมในตอนแรก ทำาใหนกวทยาศาสตรเช อวาอะตอมประกอบดวยอนภาค 2 ชนด คอ

อเลกตรอน และโปรตอน จนกระทงการศกษาเกยวกบอะตอมไดพฒนาการมากขน จงได ทราบวานอกจากจะมอเล กตรอนและโปรตอนแลวยงมนวตรอน และอนภาคอน ๆ อกหลายชนด

ในป พ.ศ. 2456 เฮนร มอสเลย (Henry Mosley) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษสามารถหาจำานวนโปรตอนทมอยในแตละธาตได โดยศกษาจากสเปกตรมรงสเอกซของธาต เมอนำาจำานวนโปรตอนของธาตมาพจารณารวมก บแบบจ ำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดในแงมวลของอะตอม จะพบวาแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดยงไมถกตองนก กลาวคอตามแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด มวลของอะตอมกคอ มวลของนวเคลยส หรอมวลของโปรตอนอยางเดยวนนเอง ถานวเคลยสของอะตอมประกอบดวยโปรตอนอยางเดยว มวลของอะตอมกนาจะเทากบมวลของโปรตอนมารวมกน แตจากการทดลองหามวลของอะตอมพบวามวลอะตอมของธาตตาง ๆ มกจะมคามากกวามวลของโปรตอนเสมอ เชน ธาตคารบอนมโปรตอน 6 ตว ตามแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดมวลอะตอมควรจะมคาเปน 6 หนวย แตจากการทดลองพบวามมวลอะตอมถง 12 หนวย หรอธาตออกซเจนม 8 โปรตอน แตมมวลอะตอม 16 หนวย เปนตน จากผลการทดลองพบวาอะตอมของธาตสวนใหญจะมมวลเปน 2 เทา หรอมากกวา 2 เทาของโปรตอน ทำาใหรทเทอรฟอรดตงขอสนนษฐานวา ภายในอะตอมนาจะมอนภาคอกชนดหนงซงไมใชโปรตอนและอเลกตรอนอยดวย โดยทอนภาคนจะอยรวมกนในนวเคลยส และมมวลใกลเคยงกบมวลของโปรตอน รวมทงเปนกลางทางไฟฟาดวย ซงตอมากไดมการพสจนขอสนนษฐานของรทเทอรฟอรดจนยอมรบกนวาเปนความจรง

ประมาณป พ.ศ. 2456 ทอมสน ไดทดลองเกยวกบมวลของอนภาคบวกทไดจากหลอดรงสแคโทด พบวา ในขณะทใชกาซนออนใสในหลอดรงสจะสามารถหามวลของอนภาคบวกไดถง 2 คา คอ

20 และ 22 หนวย ซ งแสดงวากาซนออนจะตองมอะตอม 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 จงท ำาใหโครงสรางของอะตอมเปลยนแปลงไปจากแบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรดเลกนอย ทำาใหทราบวาภายในอะตอมจะประกอบดวยอนภาค 3 ชนด คอ อเลกตรอน โปรตอน และ นวตรอน โดยเรยกอนภาคทง 3 ชนด วาเปน อนภาคมลฐานของอะตอม ดงนนแบบจำาลองอะตอมจงเปลยนไป แบบใหมมลกษณะดงน

“อะตอมมลกษณะเปนทรงกลม ประกอบดวยโปรตอนและนวตรอนรวมกนอยตรงกลางของอะตอม เรยกวา นวเคลยส และมอเลกตรอนซงมจำานวนเทากบโปรตอนวงอยรอบ ๆ นวเคลยส”

รปท 5 แบบจำาลองอะตอมทมนวตรอน

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

ตารางท 1 อนภาคมลฐานของอะตอมอนภาค สญลก

ษณมวล มวลเปรยบ

เทยบประจในหนวย ชนด

ของkg amu กบ

อเลกตรอนคลอมบ esu ประจ

โปรตอน

นวตรอน

อเลกตรอน

pne

1.672 x 10-27

1.674 x 10-27

9.109 x 10-32

1.0073

1.0087

0.00054

0

18361839

1.602 x 10-19

01.602 x 10-19

4.8209x10-12

04.8209x10-12

+10-1

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 และเชอกน

วามสวนชวยใหโปรตอนและนวตรอนสามารถยดเหนยวอยดวยกนไดภายในนวเคลยส

ตารางท 2 อนภาคทไมคงตวภายในอะตอมอนภาค สญลกษณ มวล( amu.

)ประจ

(esu.)ชนดของ

ประจโพสตรอนนวตรโนมซอน

ดวทรอนแอลฟา

e+ , + , +1e

21D , d , 42He

0.000540-

0.1560.118

2.014164.00276

4.8209 x 10-12

04.8209 x

10-12 4.8209 x

10-12 4.8209 x

10-12 9.6056 x

10-12

+10

+1 , -1+1 , -1

+1+2

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

เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทปจากการคนพบนวตรอนทำาใหทราบวาแบบจ ำาลองอะตอม

ประกอบดวยอนภาคมลฐาน 3 ชนด คอ อเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน เพอความสะดวกในการเขยนโครงสรางของอะตอม นกวทยาศาสตรจงไดกำาหนดสญลกษณตาง ๆ แทนอนภาคมลฐานเหลานนขนมา คอ เลขอะตอม และเลขมวลของธาต

เลขอะตอม(Atomic number) ใชสญลกษณ Z หมายถง ตวเลขทแสดงจ ำานวนโปรตอนทมอยในนวเคลยสของธาต อะตอมของธาตชนดหนง ๆ จะมจำานวนโปรตอนเฉพาะตวไมซ ำากบธาตอน ๆ ธาตชนดเดยวกนจะตองมจำานวนโปรตอนหรอเลขอะตอมเทากน

ถาอะตอมทเป นกลาง จ ำานวนอเล กตรอนเทาก บจ ำานวนโปรตอน

เพราะฉะนน เลขอะตอม = จำานวนโปรตอน = จำานวนอเลกตรอน

แตถาอะตอมไมเปนกลาง จ ำานวนอเลกตรอนจะไมเทากบโปรตอน

เชน ไอออนบวกจะมโปรตอนมากกวาอเลกตรอนไอออนลบ จะมโปรตอนนอยกวาอเลกตรอนเพราะฉะนน เลขอะตอม = จำานวนโปรตอน

จำานวนอเลกตรอนเลขมวล ( Mass number) ใช สญล กษณ เป น A

หมายถง ผลรวมของจ ำานวนโปรตอน และจ ำานวนนวตรอนในน วเคล ยส เลขมวลไมใช มวลอะตอม เลขมวลจะต องเป นจำานวนเตมเสมอ แตมวลอะตอมอาจจะเปนเลขจำานวนเตมหรอไมกได

สญลกษณนวเคลยร (Nuclear symbol) เปนสงทใช เขยนแทนโครงสรางของอะตอม โดยบอกรายละเอยดเกยวกบจำานวนอนภาคมลฐานของอะตอม วธการเขยนตามขอตกลงสากลคอ เขยนเลขอะตอมไวมมลางซาย และเลขมวลไวมมบนซายของสญลกษณของธาต

เขยนเปนสตรทว ๆ ไปดงนสญลกษณนวเคลยร = ZAX

X คอ สญลกษณของธาตA คอ เลขมวลZ คอ เลขอะตอมถาให n = จำานวนนวตรอน

จะสามารถหาความสมพนธระหวางเลขอะตอม เลขมวล และจำานวนนวตรอนไดดงน

เลขมวล = เลขอะตอม + จำานวนนวตรอน

A = Z + n

ดงนนสญลกษณนวเคลยรจงทำาใหทราบวาธาตดง

กลาวนนมอเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน อยางละเทาใดตวอยาง ท 1 จงคำานวณจำานวนอเลกตรอน โปรตอน และนวตรอน ของธาตซงมสญลกษณนวเคลยรดงตอไปน 2311Na, 23592U, 126Cวธทำา จากสญลกษณนวเคลยร ZAX A คอ เลขมวล Z คอ เลขอะตอม

A = Z + n n = A - Z

สำาหรบ 2311Na ม A = 23 , Z = 11เพราะฉะนน n = 23 - 11 = 12มอเลกตรอน = โปรตอน = 11มนวตรอน = 12

สำาหรบ 23592U ม A = 235 , Z = 92เพราะฉะนน n = 235 - 92 = 143มอเลกตรอน = โปรตอน = 92มนวตรอน = 143

สำาหรบ 126C ม A = 12 , Z = 6เพราะฉะนน n = 12 - 6 = 6มอเลกตรอน = โปรตอน = 6มนวตรอน = 6

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

ไอโซโทป (Isotope) หมายถง อะตอมของธาตชนดเดยวกนทมโปรตอนเทากน (หรออเลกตรอนเทากน ) แตมเลขมวลและจำานวนนวตรอนตางกน (หรอมมวลตางกน)

อะตอมของธาตชน ดเด ยวก นจะมจ ำานวนโปรตอนและอเลกตรอนเทากน แตจำานวนนวตรอนอาจจะไมเทากนกได ซงมผลทำาใหมวลตางกน อะตอมของธาตดงกลาวเรยกวาเปนไอโซโทป เชน 126C, 136C และ 146C เปนไอโซโทปกน

สญลกษณนวเคลยร

จำานวนอเลกตรอน

จำานวนโปรตอน

จำานวนนวตรอน

เลขมวล

126C

136C146C

666

666

678

121314

จะเหนไดวาคารบอนทง 3 ชนด มอเลกตรอนและโปรตอนเทากน แตมจำานวนนวตรอนและเลขมวลไมเทากน จงเปนไอโซโทปกน

การอานชอไอโซโทป ใหเรยกชอธาต แลวตามดวยเลขมวล เชน

126C อานวา คารบอน 12136C อานวา คารบอน 13146C อานวา คารบอน 14 เปนตน

การเขยนสญลกษณนวเคลยรของไอโซโทป อาจจะเขยนแบบยอไดโดยเขยนเฉพาะสญลกษณของธาตกบเลขมวลคกน เชน 126C, 136C และ 146C

ไอโซโทปของธาตบางชนดอาจจะมช อเรยกโดยเฉพาะ เชน ธาตไฮโดรเจนม 3 ไอโซโทป และมชอเฉพาะดงน

11H เรยกวา โปรเตรยม ใชสญลกษณ H แทน 11H21H เรยกวา ดวทเรยม ใชสญลกษณ D แทน 21H31H เรยกวา ตรเตรยม ใชสญลกษณ T แทน 31H

ธาตทเปนไอโซโทปกน ถงแมวาจะเปนธาตชนดเดยวกน แตมวลอะตอมจะไมเทากน รวมทงสมบตทางกายภาพแตกตางกนดวย แตสมบตทางเคมเกอบเหมอนกนทกประการ

ธาตชนดหนง ๆ อาจจะมไดหลายไอโซโทป บางไอโซโทปมอยในธรรมชาตแตบางไอโซโทปกสงเคราะหขนมาทงนเพอนำาไปใชประโยชนในแงตาง ๆ กน ไอโซโทปของธาตชนดหนง ๆ มกจะมปรมาณในธรรมชาตไมเทากน เชน ธาตไฮโดรเจนในธรรมชาตจะมโปรเตรยมอยถง 99.99 % ดงนน จงมดวทเรยมเพยงเลกนอย สวนตร เตรยมเปนไอโซโทปกมมนตรงส จงไมเสถยร

ปจจบนมการใชไอโซโทปเพอประโยชนในทางดานตาง ๆ มากขน เชน* ใช 126C เปนมาตรฐานเปรยบเทยบในการหามวลอะตอมของธาตตาง * ใช 146C บอกอายของวตถโบราณ และใชศกษากลไกของการเกดปฏกรยาเคม* ใช 24Na ในการแพทยเพอตรวจวงจรของโลหต* ใช 60Co สำาหรบเปนแหลงกำาเนดรงสแกมาเพอประโยชนทางการแพทย คอใชรกษา

โรคมะเรง* ใช 131I สำาหรบตรวจอาการผดปกตของตอมไทรอยด เปนตน

ไอโซโทน ( Isotone ) หมายถง ธาตตางชนดกนทม จำานวนนวตรอนเทากน แตมเลขมวลและเลขอะตอมไมเทากน เชน 188O 199F เปนไอโซโทนกน มนวตรอนเทากนคอ n = 10

ธาต A Z n188O

199F 1819

89

1010

จะเหนไดวาเฉพาะ n เทานนทเทากน แต A และ Z ไมเทากน จงเปนไอโซโทน

ไอโซบาร (Isobar) หมายถง ธาตตางชนดกนทมเลขมวลเทากน แตมมวลอะตอมและจำานวนนวตรอนไมเทากน เชน 3015P กบ 3014Si มเลขมวลเทากนคอ 30

ธาต A Z n 3015P 3014Si

3030

1514

1516

จะเหนไดวาเฉพาะ A เทานนทเทากน แต Z และ n ไมเทากน จงเปนไอโซบาร

จากสญลกษณนวเคลยร ZAXn (เพอแสดงทง A, Z , n ) ถาตวใดตวหนงของ A, Z หรอ n เทากนอก 2 ตวทเหลอจะไมเทากน

เชน ถา A เทา Z และ n จะไมเทากนตวอยางท 2 จงเลอกธาตทเปนไอโซโทป ไอโซบาร และไอโซโทน จากธาตทกำาหนดใหตอไปน 126C, 136C , 146C , 105B , 115B , 147N , 157N , 168Oวธทำา จากสญลกษณนวเคลยรทกำาหนดให หาคาของ A, Z , n ไดดงน

ธาต A Z n 126C 136C 146C105B115B147N 157N 168O

1213141011141516

66655778

67856788

ไอโซโทป มโปรตอนหรอ Z เทากน ดงนนธาตทเปนไอโซโทปกน คอ 126C, 136C และ

146C , 105B และ 115B , 147N และ 157Nไอโซบาร ม A เทากน ธาตทเปนไอโซบารกน คอ 14

6C และ 147N

ไอโซโทน ม n เทากน ธาตทเปนไอโซโทนกนคอ 126C และ 115B 136C และ147N 157N และ 168O

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

ใบความรท 3คลน สมบตของคลนและสเปกตรมของแสง

******************************************************** ครศกดอนนต อนนตสข

แบบจำาลองอะตอมของรทเทอรฟอรด ใชอธบายเกยวกบการทดลองยงอนภาคแอลฟาไปทแผนทองคำา แตอธบายปญหาบางอยางไมได เชน ทำาไมโปรตอนซงมประจบวกจงรวมกนเปนนวเคลยสได และทำาไมอเลกตรอนซงมประจลบจงเคลอนทรอบ ๆ นวเคลยสได

หลงจากการคนพบนวตรอน สามารถอธบายเหตผลทโปรตอนสามารถรวมกนเปนนวเคลยสได 2 ลกษณะดงน

1.โปรตอนและนวตรอนทจะเปลยนกลบไปกลบมาได ถา 10n คอ นวตรอน และ 11p คอ โปรตอน จะเขยน

สมการแสดงการเปลยนแปลงกลบไปกลบมาระหวางโปรตอน และนวตรอนไดดงน

Neutron + Positive charge Protonหรอ 1

0n + 01e 11p และ Proton + Negative charge Neutronหรอ 11p + 0

1 e 10n

จะเหนไดวา โปรตอนสามารถเปลยนไปเปนนวตรอนไดโดยอาศยอเลกตรอน และนวตรอนสามารถเปลยนเปนโปรตอนไดโดยโปสตรอน (01e ) ซงเปนอนภาคทไมเสถยรภายในนวเคลยส เขยนเปนสมการรวมไดดงน

การทโปรตอนและนวตรอนสามารถจะเปลยนกลบไปกลบมาไดจงกอใหเกดแรงยดเหนยวระหวางอนภาคทงสอง ซงทำาใหอนภาคทงสองอยดวยกนได และทำาใหนงเคลยสมความเสถยร

2.พจารณาในแง ของประจ เน องจากน วตรอนไมม ประจไฟฟาจงเปนกลางทางไฟฟา นวตรอนจงไมมแรงดดหรอแรงผลกระหวางอนภาค ดงนนจงทำาหนาทเชอม (Cement) ระหวางโปรตอนกบโปรตอน โดยการแทรกอยระหวางโปรตอนกบโปรตอนซงทำาใหโปรตอนอยในระหวาง ลดแรงผลกลงได จงทำาใหโปรตอนอยรวมกนได

จะเหนไดวาแบบจำาลองอะตอมใหมทมนวตรอนสามารถอธบายการรวมตวกนของโปรตอนในนวเคลยสได แตยงไมสามารถอธบายไดวาอเลกตรอนอยรวมกนรอบ ๆ นวเคลยสไดอยางไร อเลกตรอนทงหมดอยรวมกนหรอมการแบงกลม ๆ หรอมตวกลางแบบเดยวกบนวตรอนในนวเคลยส นอกจากนยงไมสามารถอธบายไดวาเหตใดเมอเผาสารประกอบชนดตาง ๆ สของเปลวไฟจงไมเหมอนกน

นกวทยาศาสตรไดพยายามศกษาลกษณะของการจดเรยงอเลกตรอนรอบ ๆ อะตอม โดยแบงการศกษาออกเปน 2 สวน สวนแรกเปนการศกษาเกยวกบสเปกตรมของอะตอมซงจะท ำาให ทราบวาภายในอะตอมมการจดระดบพลงงานเปนชน ๆ ในแตละชนจะมอเลกตรอนบรรจอย สวนทสองเปนการศกษาเกยวกบพลงงานไอออนไนเซชน เพอจะดวาในแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนบรรจอยไดกตว

สเปกตรม หมายถง อนกรมของแถบสหรอ หรอเสนทไดจากการผานพลงงานรงสเขาไปในสเปกโตรสโคป ทำาใหพลงงานรงสแยกออกเปนแถบหรอเปนเสนทมความยาวคลนตาง ๆ เรยงลำาดบกนไป

สเปกโตรสโคป (Spectroscope) หรอสเปกโตรมเตอร (Spectrometer) หมายถง เคร องมอทใชแยกสตามความถ หรอเครองมอทใชศกษาเกยวกบสเปกตรม

สเปกตรม แบงเปน 2 ประเภท คอก . ส เ ป ก ต ร ม แ บ บ ต อ เ น อ ง (Continuous

spectrum) เปนสเปกตรมทประกอบดวยแถบสทมความถตอเนองกนไปอยางกลมกลนกน เชน สเปกตรมของแสงอาทตย

ข . ส เ ป ก ต ร ม ไ ม ต อ เ น อ ง (Discontinuous spectrum) หรอเรยกเสนสเปกตรม ลกษณะของสเปกตรมจะเปนเสนหรอแถบสเลก ๆ ทไมเกดตอเนองกนไป แตมการเวนชวงของความถทเสนสเปกตรมเกด เชน สเปกตรมธาตไฮโดรเจน ธาตฮเลยม เปนตน

สเปกตรมท ไมต อเน องจะมบทบาททส ำาค ญในการศกษาโครงสรางอะตอม เน องจากอะตอมของธาตต าง ๆ จะมเสนสเปกตรมเฉพาะตวคลายกบลายนวมอของคนแตละคนทไมเหมอนก นส ำาหรบสเปกตรมของธาต ถ าพล งงานรงส เก ดจากการเปล ยนแปลงของอะตอมจะเรยกวา อะตอมมกสเปกตรม“ (Atomic spectrm) ”

ความยาวคลน (Wavelength) ใชสญลกษณเปน (อานวา แลมบดา) เปนสมบตทสำาคญของคลนหมายถง ระยะทางทคลนเคลอนทครบ 1 รอบพอด (คอระยะทางจากจด ก. ถงจด ข. ในร ป หรอระยะทางจากจ ดประปลายหน ง ไปยงอ กปลายหน ง ) ความยาวคลนมหนวยเปนเมตร ( m ) หรอหนวยยอยของเมตร เชน นาโนเมตร (nm) โดย 1 nm = 10-9 เมตร

ความถของคลน ใชสญลกษณเปน (อานวา นว) หมายถง จำานวนรอบของคลนทเคลอนทผานจดใดจดหนงในเวลา 1 วนาท ความถของคลนจงมหนวยเปนจ ำานวนรอบตอวนาท ( S-1 หรอ cycle/s) หนวยนมชอเรยกอกอยางหนงวาเฮรตซ ( Hertz) หรอใชสญลกษณเปน Hz แอมปลจด ( Amplitude) คอ ความสงของยอดคลน

คล นท จะศ กษาก นในท น เป นคล นแม เหล กไฟฟาในชวงความยาวคลนระหวาง 380-750 nm ซงเปนชวงคลนทมความยาวและความถทประสาทตาของคนจะรบไดเรยกคลนแมเหลกไฟฟาชวงดงกลาวน ว า แสงขาว “ (Visibel light)” สำาหรบชวงอน ๆ นอกจากนจะไมนำามาศกษาเนองจากประสาทตาไมสามารถจะรบได เชน ชวงอลตราไวโอเลต (Utraviolet หรอตวอยคอ U.V. ) อนฟ า เ ร ด (Infrared ห ร อ ต ว ย อ I.R.) แ ล ะ ไ ม โ ค ร เ ว ฟ (Microwave) เปนตน

ตารางท 1 สมบตของคลนในชวงความยาวตาง ๆ กน บางชวงชวงคลน ความยาวคลน

(m)ความถคลน (Hz)

อลตราไวโอเลตแสงขาวอนฟราเรดไมโครเวฟ

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 ซ งภายหลงเคอรชอฟ (Gustav Krchhoff) ชาวเยอรมน ไดประดษฐสเปกโตรสโคปขน ใชในการแยกสเปกตรมของแสงขาว และตอมาบนเสน

(Robert Bunsen) ไดนำาความรเกยวกบสเปกตรมไปวเคราะหแรชนดตาง ๆ ซงทำาใหทราบวาแรนนมธาตอะไรเปนองคประกอบ

เมอใหแสงขาวสองผานปรซม แสงขาวจะแยกออกเปนแถบสตาง ๆ ตอเนองกน 7 ส เหมอนสรง คอ สมวง คราม นำาเงน เขยว เหลอง สม และแดง นกวทยาศาสตรเรยกแถบสตอเนองกนทง 7 สนวา สเปกตรมของแสงสขาว การทแสงขาวสามารถ“ ”แยกออกเปนสเปกตรมสตาง ๆ กนกเนองจากแสงขาวประกอบดวยสตาง ๆ ทง 7 ส ซงมความยาวคลนตาง ๆ จะทำาใหเกดการหกเหตามขนาดของมมตาง ๆ แสงทมความยาวคลนไมเทากนจะเกดการหกเหในปรซมไดไมเทากน ซงทำาใหเกดการแยกออกเปนแถบแสงสตาง ๆ และตอเนองกนเปนแถบสเปกตรม

ตารางท 2 แถบสของสเปกตรมของแสงขาวสของสเปกตรม ความยาวคลน (nm)

มวงครามนำาเงนเขยว

เหลองสม

แดง

380 - 420420 - 460460 - 490490 - 580580 - 590590 - 650650 - 700

สำาหรบคลนแมเหลกไฟฟาในชวงอน ๆ กมการหกเหเมอผานปรซมหรอผานตวกลางเชนเดยวกน แตไมสามารถมองเหนไดเหมอนแสงขาว การศกษาสเปกตรมของคลนแมเหลกไฟฟาไดรบ

ความสนใจเปนอยางมากนกวทยาศาสตร ซ งตอมาม กซ พลงค (Max Planck) น กวทยาศาสตร ชาว เยอรมน ได พบว าคลนแมเหลกไฟฟาหรอแสงเปนพลงงานรปหนงและพลงงานของคลนแมเหลกไฟฟามสวนสมพนธกบความถและความยาวของคลนโดยสรปเปนกฎวา

“ พลงงานของคลนแมเหลกแมเหลกไฟฟาจะเปนสดสวนโดยตรงกบความถของคลนนน ”

เขยนเปนความสมพนธไดดงนE E = h

เม อ E = พลงงานของคลนแมเหล กไฟฟา (หนวยเปน จล )

h = คาคงทของพลงค ( Plank , constant) = 6.625 x 10-34 Js

= ความถของคลนแมเหลกไฟฟา (Hz หรอ s-1)

เรยกสมการดงกลาวนวากฎของพลงคในการศกษาเกยวกบคลนโดยทว ๆ ไปมกจะวด เปนความคลน

ซงความยาวคลนมสวนสมพนธกบความถของคลนดงนC =

= c

เมอ c คอความเรวของคลนแมเหลกไฟฟาในสญญากาศ หรอความเรวแสงในสญญากาศ

c = 2.99 x 108 ms-1 หรอ โดยประมาณ c = 3.0 x 108 ms-1

จากความสมพนธของความยาวคลนของความยาวคลนแมเหลกไฟฟา ทำาใหสามารถเขยนกฎของพลงค เพอแสดงความ

สมพนธระหวางพลงงานของคลนแมเหลกไฟฟากบความยาว และความถของคลน ไดดงน

E = h = hc

เนองจากแสงขาวประกอบดวยแสงสตาง ๆ รวม 7 ส แตละสมลกษณะเปนแถบสเปกตรมจงมความยาวคลนเปนชวง ดงนนคาของความถและพลงงานจงเปนชวงดวย การค ำานวณเกยวกบพลงงานของคลนจงตองระบความยาวคลนหรอความถทแนนอนดวย 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 และความถของแสงสขาวสของ

สเปกตรมความยาว

คลน (nm)

ความถคลน (Hz)

พลงงาน (J)

มวงครามนำาเงนเขยว

เหลองสม

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 แตมความถตำาสดและมพลงงานตำาทสด

หรอพจารณาจากสตร E = h = hc

ถา มาก และ E จะนอย แตถา นอย และ E จะมาก

ตวอยางเพมเตมท 1 เสนสเปกตรมของไฮโดรเจน 2 เสน คอเส นสม วงมความยาวคล น 410 nm และ เส นสน ำา เ ง นม ความยาวคลน 434 nm จะมพลงงานตางกนเทาใด ?วธทำา จากสตร E = h = h

c

c = 3.0 x 108 m/s h = 6.625 x 10-34 Js

สำาหรบเสนสมวง ; = 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

สำาหรบเสนสมวง ; = 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 Jมพลงงานตางกนเทากบ 4.85 x 10-19 J - 4.58 x

10-19 J = 2.7 x 10-20 J

ตวอยางเพมเตมท 2 ธาตชนดหนงเมอนำาไปเผาไฟ จะเกดเสนสเปกตรมหลายเสน จากการทดลองพบวาเสนสเปกตรมเสนหนงมพลงงาน 4.0 x 10-19 J สเปกตรมเสนดงกลาวจะมความยาวและความถคลนเปนเทาใด และมสอะไร วธทำา E = h

c

E = 4.0 x 10-19 Jh = 6.625 x 10-34 Jsc = 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

Hzสเปกตรมเสนนมความยาวคลน 497 นาโนเมตร ความถ

6.04 x 1014 Hz และตรงกบสเขยว (ชวงสเขยวอยระหวางความยาวคลน 490 - 580 นาโนเมตร)-----------------------------------------------------------------------

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

ใบความรท 4เสนสเปกตรมของธาตและการแปลความหมาย/

แบบจำาลองอะตอมของโบร***************************************************

***** เนองจากแบบจำาลองอะตอมทโปรตอนและนวตรอนรวมกน

เปนนวเคลยส มอเลกตรอนวงอยรอบ ๆ นวเคลยส สามารถอธบาย

ไดแตเพยงวาทำาไมโปรตอนจงอยรวมกนเปนนวเคลยสได แตไมสามารถอธบายไดวาทำาไมอเลกตรอน ซงมประจเปนลบเหมอนกน จงอยรวมกนรอบ ๆ นวเคลยส ไมไดบอกใหทราบวาอเลกตรอนทงหมดเหลานนอยในทเดยวกน หรอแบงเปนกลม ๆ อยางไร และเมอมการศกษาการเผาสารซงพบวาสารประกอบทมโลหะตางกน จะใหสของเปลวไฟตางกน แบบจำาลองน ไมสามารถอธบายไดวา สของเปลวไฟนนเกดขนจากอะไร เกดขนไดอยางไร โดยเฉพาะอยางยงเมอศกษาสของเปลวไฟดวยสเปกโตรสโคปซงจะเหนเปนเสนสเปกตรมทมสตาง ๆ กน แบบจำาลองนกไมสามารถอธบายไดเชนเดยวกน แสดงวาแบบจำาลองนยงไมถกตอง นกวทยาศาสตรจงพยายามสรางแบบจำาลองอะตอมใหมขนมาเพอใชอธบายปรากฎการณดงกลาว

การศกษาสของเปลวไฟทเกดขนจากการเผาสาร มกจะเหนเพยงสเดยว เหนเดนชดทสด ทงนเนองจากตาของคนไมสามารถทจะแยกสทมความถตาง ๆ ทผสมกนอยออกจากกนได จงมองเหนเฉพาะสทเดนชดทสดเพยงสเดยวเทานน แตถาใชสเปกโตรสโคปซงเปนเครองมอแยกสตามความถของแสง จะเหนเปนเสนทมสตาง ๆ กนหลายเสนซงเรยกวา เสนสเปกตรม แตอยางไรกตามเสนสเปกตรมทเดนชดมความเขมของสมากทสด จะเปนสเดยวกบทมองเหนดวยตาเปลา

ตารางท 1 สของเปลวไฟทเกดจากการเผาสารเมอดดวยตาเปลา และใชเสนสเปกโตรสโคป

สารประกอบ

สของเปลวไฟเมอดดวยตาเปลา

สของเสนสเปกตรมทเดนชดทสด

NaclNa2SO4BaCl2BaCO3CaCl2CaSO4

เหลองเหลอง

เขยวอมเหลองเขยวอมเหลอง

เหลองเขมเหลองเขม

เขยวเขยว

แดงอฐแดงอฐ

แดงเขมแดงเขม

CuCO3CuSO4MgCl2MgCO3LiClLi2CO3

เขยวเขยวมวงมวง

แดงเลอดนกแดงเลอดนก

เขยวเขมเขยวเขมมวงเขมมวงเขมแดงเขมแดงเขม

ถาเปรยบเทยบเทยบสเปกตรมของสารตาง ๆ กบสเปกตรมของแสงอาท ตยและแสงจากหลอดฟลออเรสเซนตจะพบวา สเปกตรมทเหนจากแสงอาทตยมลกษณะเปนแถบทมแสงสเจดสตอเนองกน ทเรยกวาสเปกตรมแบบตอเนอง เนองจากเปนสเปกตรมของแสงขาวนนเอง สำาหรบสเปกตรมของหลอดฟลออเรสเซนตนอกจากจะเหนเปนแถบสแบบสเปกตรมของแสงขาวเปนพนแลว ยงมเสนปรากฏในแถบสเปกตรมดวย เรยกวาเสนสเปกตรม ซงจดวาเปนสเปกตรมทไมตอเนอง เสนสเปกตรมทเหนเดนชดทสดคอ เสนสเขยว ซงเกดจากธาตทบรรจไวในหลอดฟลออเรสเซนตนน ลกษณะของเสนสเปกตรมจะคลายกบสเปกตรมทไดจากการเผาสาร

ส ำาหรบล กษณะของสเปกตรมหรอส ของเปลวไฟของสารประกอบตาง ๆทเกดจากโลหะชนดเดยวกน จากตารางทผานมาจะเหนไดวาไดเสนสเปกตรมทมลกษณะเหมอนกนทกประการทงตำาแหนงของเสนสเปกตรม ถงแมวาจะมอโลหะตางชนดกน เชน กรณของสารประกอบโซเดยม ไมวาจะเปน NaCl หรอ Na2SO4

จะเหนสของเสนสเปกตรมทเดนชดทสดเปนสเหลองเขมเหมอนกน อยในต ำาแหนงเด ยวก น หรอมความยาวคลนเท าก น ท ง ๆ ท สารประกอบโซเดยมนนมอโลหะตางกนคอ Cl- กบ SO4

2- แสดงวาเสนสเปกตรมนนไมไดเกดจากอโลหะ ถาเกดจากอโลหะสหรอ

ตำาแหนงของเสนสเปกตรมของ NaCl หรอ Na2SO4 ควรจะตาง

กน ส ำาหรบสเปกตรมของสารประกอบคอ น ๆ ท มโลหะชนดเดยวกนและมอโลหะตางชนดกนกใหผลเชนเดยวกนกบกรณของเกลอโซเดยม คอใหสเปกตรมเหมอนกนเมอเปนโลหะชนดเดยวกน ดงนนจงสรปไดวา เสนสเปกตรมเกดจากอะตอมสวนทเปนโลหะไม“ไดเกดจากสวนทเปนอโลหะ ”

เนองจากลกษณะของเสนสเปกตรมขนอยกบชนดของโลหะ โลหะชนดเดยวกนจะใหสเปกตรมทเหมอนกน และแตกตางจากสเปกตรมของโลหะอน ๆ สเปกตรมของธาตชนดตาง ๆ จะมลกษณะเป นแบบเฉพาะตวท งต ำาแหน ง ส และจ ำานวนเสนสเปกตรม สเปกตรมของโลหะชนดเดยวกน ไมวาโลหะนนจะเปนธาตบรสทธหรออยในรปของสารประกอบจะตองมลกษณะเหมอนกน คอ มจำานวนเสนของสเปกตรมเทากน แตละเสนมสเดยวกน(อาจจะมความเขมของสไมเทากน) และตำาแหนงของเสนสเปกตรมแตละเสนจะตองเหมอนกน ถาเปนสเปกตรมของโลหะตางชนดกนจะตองไมเหมอนกน สของสเปกตรมและจ ำานวนเสนของสเปกตรมอาจจะเหมอนกน แตตำาแหนงของเสนสเปกตรมทงหมดจะตองไมตรงกน การทสเปกตรมเปนสมบตเฉพาะตวของธาต ทำาใหสามารถนำามาใชในแงของการวเคราะหชนดของธาตได เชน หาสเปกตรมของแรตาง ๆ เปรยบเทยบกบสเปกตรมของธาตทรจกดอยแลวเพอจะวเคราะหไดวาแรนนประกอบดวยธาตอะไรบาง

สเปกตรมไมไดเกดเฉพาะจากโลหะอยางเดยวเทานน อโลหะกใหสเปกตรมเชนเดยวกน แตเปนสเปกตรมทเกดในชวงของความถทตาเรามองไมเหน

โดยสรป1. สเปกตรมเปนสมบตเฉพาะตวของธาตชนดหนง ๆ ซงแตก

ตางจากธาตชนดอน

2. สเปกตรมของโลหะชนดเดยวกนไมวาจะอยในรปของธาตบรสทธหรอในสารประกอบจะตองมลกษณะเหมอนกนทงหมด ทงในแงของจำานวนเสนสเปกตรม สของแตลเสน (อาจจะมสเขมไมเทากน) และ ตำาแหนงของเสนสเปกตรม

3. สเปกตรมของโลหะตางชนดกนจะไมเหมอนกน สของเสนสเปกตรมอาจจะเหมอนกน แตตำาแหนงของเสนสเปกตรมทงหมดจะไมตรงกน

สำาหรบสารทอยในสถานะกาซกสามารถจะตรวจดสเปกตรมไดเชนเดยวกนแตไมใชโดยการนำากาซมาเผาเหมอนกบสเปกตรมของโลหะ สเปกตรมของกาซจะทำาไดโดยนำากาซมาบรรจในหลอดแกวโดยทำาใหมความดนตำาและใชพลงงานจากไฟฟาแทนการเผา เมอกาซทบรรจอยในหลอดแกวไดรบพลงงานเพยงพอกจะเเรองแสงใหสตาง ๆ ซงตาของคนไมสามารถจะบอกความแตกตางได แตถาใชสเปกโตรสโคปสองดจะเหนเปนเสนสเปกตรม เชนเดยวกบสเปกตรมของโลหะ กาซแตละชนดจะใหเสนสเปกตรมทมลกษณะไมเหมอนกน

เมอเผาสารประกอบของโลหะตางชนดกน จะไดเปลวไฟทมสตาง ๆ กน สของเปลวไฟกคอสวนของพลงงานทแปรรปมาจากพลงงานความรอนนนเอง แสดงวาหลงจากทสารไดรบความรอนเขาไปแลวจะมการคายพลงงานสวนหนงออกมาในรปของแสง การทมสต าง ๆ กนแสดงวา พลงงานทคายออกมานนมค าไมเทากน พลงงานทคายออกมาจะมสวนเกยวของกบความถหรอความยาวของคลนแสง ตามกฎของ พลงค ถาโลหะนนคายพลงงานออกมาตรงกบความถของแสงสใด จะเหนเปนเปลวไฟสนน ซงถาดจากสเปกโตรสโคปกจะเหนเปนเสนสสเปกตรมทมสเดยวกน เนองจากการเกดสเปกตรมขนอยกบพลงงานทคายออกมา ดงนนการอธบายการเกดสเปกตรมจงต องต งอย บนสมมตฐานท ว า อะตอมจะต องม โครงสรางทสามารถรบพลงงานและคายพลงงานได

นกวทยาศาสตรไดพยายามนำาแบบจำาลองอะตอมตาง ๆ ทมอยมาอธบายการเกดสเปกตรมของธาตแตปรากฏวาไมไดผล จงคดวาแบบจำาลองอะตอมทมอยนนยงไมถกตอง จะตองมการแกไขและเพมเตมบางสงบางอยางเพอใหนำามาอธบายการเกดสเปกตรมได ดงนนจงสรางสมมตฐานเกยวกบแบบจำาลองอะตอมขนมาใหม โดยใหโครงสรางของอะตอมสามารถทจะมการถายเทพลงงานได คอใหอะตอมเปนทรงกลมประกอบดวยโปนตอนและนวตรอนรวมกนเปนนวเคลยส และมอเลกตรอนโคจรอยรอบ ๆ ซงอเลกตรอนทโคจรอยนกระจายอยรอบ ๆ นวเคลยสในระยะตางกน

รปท 1 โครงสรางอะตอมแบบใหมทงนกำาหนดลกษณะของอะตอมดงน1. อะตอมแบงออกเปนชน ๆ แตละชนจะมพลงงานประจำาตว

ซงมคาไมเทากน เรยกวามระดบพลงงานตางกน ระดบพลงงานภายในอะตอมจะเปนชวง ๆ ไมตอเนอง

2. ระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสมากทสดจะมพลงงานตำาสด (คอ E1) เรยกวาระด บพล งงานในสภาวะพ น (ground state) ระดบพลงงานทตออกไปอก คอ E2 , E3 , . …. จะมพลงงานสงขนตามลำาดบ ระดบพลงงานนอกสดของอะตอมจะมพลงงานในตวสงสด

รปท 2 การจดระดบพลงงานรอบ ๆ นวเคลยสตงแตระดบพลงงาน E2 , E3 , . …. เปนตนไป เรยกรวม

กนวา Allowed state energy3. อเลกตรอนทกระจายอยในระดบพลงงานเหลานจะตองม

พลงงานในตวเทากบพลงงานประจ ำาระดบนนจงจะอยในสภาวะทเสถ ยร และสามารถโคจรอย ในระด บพล งงานน น ได เช น อเลกตรอนทจะโคจรอยในระดบพลงงานท 1 จะตองมพลงงาน E1

และอเลกตรอนทอยในระดบพลงงานท 2 จะตองมพลงงาน E2

เปนตน ถาอเลกตรอนมพลงงานเปลยนไปจากเดมจะทำาใหไมเสถยร เชน อเลกตรอนทอยในระดบ E1 เมอไดรบพลงงานเพมขนจะขนไปอยในชน E2 , E3 , . …. ซงทำาใหไมเสถยร อเลกตรอนจะพยายามกลบมาสตำาแหนงเดมเพอใหอยในภาวะทเสถยรตามเดม โดยการคายพลงงานสวนหนงออกมาพลงงานของอเลกตรอนซงเคลอนทอยรอบ ๆ นวเคลยสประกอบดวยพลงงานศกย (คอพลงงานทเก ดจากแรงด งดดระหวางอเลกตรอนกบโปรตอนหรอกบนวเคลยส) และพลงงานจลน (คอ พลงงานทเกดจากการเคลอนทของอเลกตรอน) ปกตอนภาคทกชนดจะอยในภาวะทเสถยรทสดเมอมพลงงานในตวตำาทสด ดงนนในภาวะปกตผลรวมของพลงงานทงสองชนดของอเลกตรอนจะมคาตำาสด (สมมตใหเปน E1 ซงกคอ พลงงานในสภาวะพน (ground state) นนเอง เมอมการเผาหรอใสไฟฟาเขาไป อะตอมจะไดรบพลงงานเพมขน ทำาใหอเลกตรอนมพลงงานสงขนสมมตใหเปน E2

ซงเรยกวา “ภาวะกระตน Excited state energy” ใน

ภาวะทถกกระตนนอเลกตรอนจะมพลงงานสงขน ซงทำาใหไมเสถยร และจะพยายามปรบตวกลบเขาสภาวะปกตดงเดม ในการกลบคนสภาวะปกต หรอภาวะพนตามเดมนน อเลกตรอนจะตองคายพลงงานออกมาเทากบพลงงานทไดรบเขาไป พลงงานจำานวนนจะเทากบผลตางของพลงงานทงสองระดบ

ถาให E = พลงงานทอเลกตรอนคายออกหรอไดรบเขาไป

E = E2 - E1พลงงานทอเลกตรอนคายออกมา (E) สวนใหญจะปรากฏ

อยในร ปของพลงงานแสงเป นเสนสเปกตรมท มสต าง ๆ ถ าอเลกตรอนมเพยง 2 ระดบพลงงาน เสนสเปกตรมควรจะปรากฏเปนเสนเดยว แตจากการพจารณาเสนสเปกตรมของธาตตาง ๆ พบวามมากกวา 1 เสน ทงสน เชน ธาตไฮโดรเจนมเสนสเปกตรมทปรากฏอยในชวงแสงขาวถ ง 4 เสนด วยกน แตละเสนจะม ความยาวคลนและพลงงานแตกตางกนดงในตารางตอไปน

ตารางท 1 ความยาวคลนและพลงงานของเสนสเปกตรมของไฮโดรเจน

สของสเปกตรม

ความยาวคลน (nm)

พลงงาน (kJ)

สมวงสนำาเงนสนำาทะเล

สแดง

410434486656

4.84 x 10-22

4.57 x 10-22

4.08 x 10-22

3.02x 10-22

พลงงานทอเลกตรอนดดและคายออกในการเปลยนระดบพลงงานการทไฮโดรเจนมเสนสเปกตรมใหเหนถง 4 เสน แสดงวา

ภายในอะตอมจะตองไมไดมเพยง 2 ระดบพลงงานเทานน แตคงจะตองมมากกวาน และการทความยาวคลนไมไดตอเนองกน แสดงวาระดบพลงงานในอะตอมควรจะเปนชวงไมตอเนองกน ระดบพลงงาน

ในอะตอมของไฮโดรเจนจะตองมระดบท 3, 4, …. ตอ ๆ ไป ซงจดเปนชน ๆ การทมระดบพลงงานหลายระดบ แตละระดบมคาพลงงานคงททำาใหผงตางระหวางระดบพลงงานคหนง ๆ มคาไมเทากน แตเปนคาคงทเชน E = E2 - E1

E = E3 - E1E = E4 - E1

เม อผลต างของระด บพลงงานค หน ง ๆ มค า ไม เท าก น พลงงานในสวนทคายออกมาจงมค ไมเทากนดวย ท ำาใหมเสนสเปกตรมไดหลายเสน ดงในรปตอไปน

รปท 3 แผนผงการเปลยนแปลงระดบพลงงานของอเลกตรอนของไฮโดรเจน

เมออเลกตรอนไดรบพลงงานเพมขนจนขนไปอยในระดบ E2

, E3 ,E4 และ E5 ซ งอย ในภาวะท ถกกระต นท ำา ให ไม เสถ ยร อเลกตรอนจะปรบตวใหกลบสภาวะทเสถยรตามเดม โดยเปลยนจากระดบพลงงานสงาสระดบพลงงานตำา (E1) ซงจะคายพลงงานออกมาจำานวนหนง

เชน อเลกตรอนจากระดบ E2 กลบสระดบ E1 จะคายพลงงาน E1

ตามกฎของพลงค พลงงานจะมสวนสมพนธกบความยาวคลนคอ

E1 = E2 - E1 = h1 = 1

hc

ดงนนพลงงานสวนทคายออกมาจะมความยาวคลน 1 ซงในกรณของไฮโดรเจน 1 = 656 nm ตรงกบความยาวคลนของสแดง จงทำาใหเหนเปนเสนสเปกตรมสแดงท 656 nm

สำาหรบการเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนจาก E3 ,E4

และ E5 มายง E1 กเชนเดยวกน E2 = E3 - E1 = h2 =

2

hc

E3 = E3 - E1 = h3 = 3

hc

E4 = E4 - E1 = h4 = 4

hc

2 จะตรงกบความยาวคลน 486 nm ซงเปนความถของสนำาทะเล

3 จะตรงกบความยาวคลน 434 nm ซงเปนความถของสนำาเงน

4 จะตรงกบความยาวคลน 410 nm ซงเปนความถของสแดง ดงนน จงเหนสเปกตรมรวม 4 เสนดงกลาว

สของเสนสเปกตรมเสนตางๆ จะมความเขมไมเทากน ซ งแสดงวาการเปลยนแปลงพลงงานในระดบตาง ๆ มความถในการเกดไมเทากน การเปลยนแปลงพลงงานในชวงใดทเกดมาก ความเขมขนของสกจะเขมมาก เชน ถาสนำาทะเลมความเขมของสเหนเดนชดทสดแสดงวาการเปลยนแปลงทระดบ E2 (ความยาวคลน 486 nm) มความถมากทสด

เมอพจารณาผลตางระหวางพลงงานของระดบพลงงานคทอยถดกนของเสนสเปกตรมของไฮโดรเจนจะไดดงน

ตารางท 2 ผลตางระหวางพลงงานของเสนสเปกตรมของไฮโดรเจน

สของสเปกตรม

ความยาวคลน (nm)

พลงงาน (kJ)

ผลตางระหวางพลงงานของเสนสเปกตรมทอยถด

กน(kJ)สมวง

สนำาเงนสนำาทะเล

สแดง

410434486656

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 ความแตกตางจะนอยลงตามลำาดบ เมอระดบพลงงานสงขน กลาวไดวา ระดบพลงงานยงสงขนจะยงอยชดกนมากขน ดงในรปท 3 แสดงแผนผงการเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนของไฮโดรเจนสรปการเกดสเปกตรมของธาต

1.เมออเลกตรอนไดรบพลงงานจะถกกระตนใหขนไปอยระดบพลงงานทสงขนซงจะขนไปอยระดบใดยอมขนกบปรมาณพลงงานทไดรบ การทอเลกตรอนขนไปอยในระดบพลงงานทสงขนนท ำาให อะตอมไมเสถยร อเลกตรอนจงพยายามกลบมาสระดบพลงงานเดมโดยการคายพลงงานออกมาคาหนงซงเทากบพลงงานทไดรบเขาไป พลงงานสวนใหญทคายออกมาจะอยในรปของคลนแมเหลกไฟฟา ซงปรากฎเปนเสนสเปกตรมทมสตาง ๆ กนในสเปกโตรสโคป

2.การเปลยนระดบพลงงานของอเลกตรอนไมจ ำาเปนจะตองเกดระหวางระดบพลงงานทอยถดกน แตอาจจะมการเปลยนขามขนได จงเปนเปนเหตใหมเสนสเปกตรมเกดขนไดหลายเสน

3.ภายในอะตอมซงแบงพลงงานเปนชน ๆ ระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสจะตำาทสด และระดบพลงงานทอยหางจากนวเคลยสมากทสดจะมคาสงสด ดงนนอเลกตรอนในระดบพลงงานตำาจงอยใกลนวเคลยสมากกวาอเลกตรอนในระดบพลงงานสง

4.ระดบพลงงานตำา ๆ จะอยหางกน และเมอสงขนจะอยชดกนมากขน กลาวคอ ยงระดบพลงงานสงขนจะยงอยชดกนมากขน

5.เส นส เปกตรมของธาต แสดงให เห นถ งพล งงานท อเลกตรอนคายออกมาเมอเปลยนจากระดบพลงงานสงมาสระดบพลงงานทตำากวาแบบจำาลองอะตอมของนลส โบร

จากผลการศกษาเกยวกบการเกดสเปกตรมของธาต ทำาใหนกวทยาศาสตรพบวาอเลกตรอนทอยรอบ ๆ นวเคลยสนนไมไดอยรวมกนทเดยวทงหมด แตแบงออกเปนกลม ๆ ตามระดบพลงงานตาง ๆ รอบ ๆ นวเคลยส ในป พ.ศ. 2428 - 2505 นลส โบร (Neils Bohr) นกวทยาศาสตรชาวเดนมารก ไดนำามาสรางแบบจำาลองอะตอมขนใหมโดยขยายจากแบบจำาลองรทเทอรฟอรด ดงน

“อะตอมประกอบดวยโปรตอนและน วตรอนรวมเป นนวเคลยส และมอเลกตรอนในอะตอมวงอยรอบ ๆ นวเคลยสเปนชน ๆ ตามระดบพลงงาน”

แบบจำาลองอะตอมของนลส โบร ทำาใหเหนมโนภาพเกยวกบการจดอเลกตรอนภายในอะตอมรอบ ๆ นวเคลยส ซงเปรยบเสมอนกบระบบสรยจกรวาลทมดวงอาทตยอยตรงกลาง และมดาวเคราะหโคจรอยรอบ ๆ นอกจากน โบรยงไดก ำาหนดสญลกษณส ำาหรบพลงงานชนตาง ๆ ไวดวย โดยใหระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสทสดเปนชน K และชนถด ๆ ไปเปนชน L, M, N , …… ซงในปจจบนเรยกระดบพลงงานทอยใกลนวเคลยสทสดวาระดบพลงงาน n = 1 และระดบพลงงานถดออกไปเปน n = 2 , n = 3 ,n = 4,…. ตามลำาดบ

รปท 4 แบบจำาลองอะตอมของโบรแบบจำาลองอะตอมของโบรใชอธบายการเกดสเปกตรมไดด

โดยเฉพาะกบอะตอมทมขนาดเลก และมอเลกตรอนเดยว เชน อะตอมของไฮโดรเจน แตสามารถใชอธบายอะตอมทมหลาย ๆ อเลกตรอนได นอกจากนยงทราบแตเพยงวาอเลกตรอนภายในอะตอมมการจดเรยงตวเปนชน ๆ ตามระดบพลงงาน แตไมทราบวาในแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนอยกตว จงไดมการคนควาเพมเตม และเปนเหตใหแบบจำาลองอะตอมเปลยนไปอก

แบบจำาลองอะตอมแบบกลมหมอก

Heisenberg

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

คลน และทดลองไดดวยวาอเลกตรอนสามารถเลยวเบนไดจรง

นกฟสกสหลายคนจงพยายามสรางทฤษฎขนมาเรยกวา กลศาสตรควอนตม (Quantum Mechanics) ซงเปนหวใจของฟสกสสมยใหม (Modern Physics) นกฟสกสในกลศาสตรทสำาคญคอ ชเรอดงเจอร (Schro”dinger และ Heisenberg)

ภาพแสดงกลมหมอกของการพบอเลกตรอน

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

ใบความรท 5 เรอง การจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม

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

การทำาใหอเลกตรอนตวแรกหลดออกจากอะตอมจะใชพลงงานนอยทสด เนองจากอเลกตรอนและนวเคลยสมแรงดงดดซงกนและกน การทอเลกตรอนตวแรกถกดงดดออกงายทสดแสดงวามแรงยดเหน ยวน อยท สด จากการศกษาพบวาแรงด งดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยสขนอยกบปจจยหลายอยาง เชน

ก. ขนกบระยะทางระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส หรอขนาดของอะตอม ถาอเลกตรอนอยใกลนวเคลยสมากจะมแรงดงดดมาก ทำาใหมคาพลงงานไอออไนเซชนสง ในทางตรงกนขามถาอเลกตรอนอยหางจากนวเคลยสมาก แรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยสจะนอย ทำาใหมพลงงานไออไนเซชนตำา ข. ขนกบจำานวนประจบวกในนวเคลยส ซงถานวเคลยสมประจบวกมาก แรงดงดดจะมาก ทำาใหม IE สง และถานวเคลยสมประจนอย แรงดงดดจะนอย ทำาให IE ตำา

นอกจากนยงมปจจยอน ๆ อก ซงจะกลาวถงตอไป อยางไรกตามพบวาปจจยทสำาคญทสดในการพจารณาคาของ IE คอระยะระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส ถาอเลกตรอนหลาย ๆ ตวในอะตอมอยหางจากนวเคลยสดวยระยะทางใกลเคยงกน อเลกตรอนเหลานนจะมคา IE ใกลเคยงกนดวย แตถาอเลกตรอนอยหางจากนวเคลยสตางกนอยางเหนไดชด คา IE จะแตกตางกนมาก

โดยอาศยคา IE ลำาดบตาง ๆ ของธาต และตงสมมตฐานวาอเลกตรอนภายในอะตอมจะจดเรยงตวเปนกลม ๆ ดวย จ ำานวนอเลกตรอนในแตละกลมแตกตางกนออกไป แตละกลมจะอยหางจากนวเคลยสไมเทากน (อเลกตรอนในกลมเดยวกนจะอยหางจาก

นวเคลยสพอ ๆ กน) กลมทอยใกลนวเคลยสมากทสดจะมคา IE สงสดและกลมทอยหางจากนวเคลยสมากทสดจะม IE นอยทสด ดงนนเมอนำาธาตแตละชนดมาหา IE ลำาดบตาง ๆ ตงแตลำาดบหนงจนถงลำาดบสดทาย แลวนำาคา IE มาจดเปนกลม จะทำาใหทราบวาแตละกลมควรจะมอเลกตรอนกตว

ดงนนการศกษาพลงงานไอออไนเซชนลำาดบตาง ๆ ของธาต จงทำาใหทราบวาในระดบพลงงานตาง ๆ ควรจะมอเลกตรอนไดกตว ซ งเป นสวนท ต อจากการศกษาสเปกตรมของอะตอม เพราะสเปกตรมทำาใหทราบแตเพยงวาภายในอะตอมจะมการแบงระดบพลงงานเปนชน ๆ ในแตละชนจะมอเลกตรอนบรรจอย แตไมทราบวาแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนกตว

พจารณาตวอยาง พลงงานไอออไนเซชนของธาตแมกนเซยม ซงม 12 ลำาดบ (เพราะม 12 อเลกตรอน) ดงน

ตารางท 1 คา IE1 - IE12 ของธาต Mgพลงงานไอออไนเซชน

ลำาดบทพลงงาน (MJ/mol)

12

0.7441.475

3456789

10

7.73910.54713.63618.00121.71025.66331.65035.469

1112

170.003189.379

จะเหนไดวา1.คา IE1 และ IE2 มคาใกลเคยงกน2.คา IE3 ถง IE10 มคาใกลเคยงกน แตตางจาก คา

IE1 และ IE2 อยางเหนไดชด3. คา IE11 และ IE12 มคาใกลเคยงกน แตตางจาก

IE10 อยางเหนไดชดการทจดวาอเลกตรอนทมพลงงานไอออไนเซชนใกลเคยงกน

อยในกลมเดยวกน หรออยหางจากนวเคลยสพอ ๆ กน กเนองจากพจารณาแรงดงดดระหวางอเลกตรอนกบนวเคลยส เมออเลกตรอนอยในกลมเดยวกนแสดงวาอยหางจากนวเคลยสพอ ๆ กน ดงนนจงถกนวเคลยสดงดดไวดวยแรงพอ ๆกน การทจะดงอเลกตรอนในกลมนออกจงควรใชพลงงานใกลเคยงกน ทำาใหอเลกตรอนในกลมเดยวกนมพลงงานไอออไนเซชนไมแตกตางกนมากนก แตถาเปนอเลกตรอนทอยตางกลมกน จะอยหางจากนวเคลยสตางกนมาก ทำาใหถกดงดดจากนวเคลยสตางกนดวย คาพลงงานไอออไนเซชนจงตางกนมาก

คา IE1 และ IE2 ใกลเคยงกน แสดงวาเปนอเลกตรอนอยในกลมเดยวกน เนองจากมคาพลงงานไอออไนเซชนตำาทสด จงควรเปนกลมของอเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสมากทสด

คา IE3 - IE10 ใกลเคยงกน แสดงวาเปนอเลกตรอนอยในกลมเดยวกน แตเนองจากพลงงานตางจาก IE2 อยางเหนไดชด แสดงวาจะตองเปนคนละกลม เนองจากมพลงงานไอออไนเซชนสงขน ดงนนจงควรจะเปนกลมทอยใกลนวเคลยสมากยงขน

สำาหรบกลมสดทาย IE11 และ IE12 มคาใกลเคยงกนเชนเด ยวก นกล มอ น ๆ และแตกต างจาก IE10 อยางเหน ได ชด เน องจากมพล งงานไอออไนเซนสงสด จงจด เป นกล มของอเลกตรอนทอยใกลนวเคลยสมากทสด

โดยอาศยคา IE1 - IE12 ของธาต Mg จงทำาใหสามารถจดกลมของอเลกตรอนไดเปน 3 กลม โดยมระยะทางหางจากนวเคลยสมากขนตามลำาดบ คอกลมท 1 ( 2 อเลกตรอน ) กลมท 2 (8 อเลกตรอน) และกลมท 3 ( 2 อเลกตรอน)

สำาหรบการจดกลมอเลกตรอนของธาตอน ๆ กอาศยคา IE เชนเดยวกน นอกจากจะพจารณาตวเลขแสดงคา IE ดงตวอยางของ Mg แลว ยงอาจจะพจารณาจากกราฟไดโดยนำาคา IE ลำาด บตาง ๆ มาเขยนกราฟรวมกบพลงงานไอออไนเซชน ให พลงงานไอออไนเซชนเปนแกนตง และลำาดบทของพลงงานไอออไนเซชนเปนแกนนอน ดลกษณะของกราฟทเปนชวง ๆ จะเหนความแตกตางของ IE ลำาดบตาง ๆ อยางชดเจน ซงจะนำามาแบงกลมของอเลกตรอนได พจารณาตวอยางของธาต Al, Si, P, S, Cl, และ Ar ดงน

รปท 1 ความสมพนธระหวาง IE กบลำาดบทของ IE ของธาตตาง ๆ

จากลกษณะของกราฟจะพบวา1.ธาต Al ม IE จดได 3 กลม

กลมท 1 ม IE 2 ลำาดบ หรอมอเลกตรอน 2 ตว และคา IE สงสด

กลมท 2 ม IE 8 ลำาดบ หรอมอเลกตรอน 8 ตว และคา IE รองลงมา

กลมท 3 ม IE 3 ลำาดบ หรอมอเลกตรอน 3 ตว และคา IE ตำาสด

แสดงวาควรจะมอเลกตรอน 2 ตว อยใกลนวเคลยสมากทสด จงมคา IE สงสด และควรจะมอเลกตรอน 3 ตว ทอยในกลมเดยวกน และอยหางจากนวเคลยสมากทสด จงมคา IE ตำาสดทงกลม ทำาใหสามารถสรปการจดเรยงอเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสนอยไปหามากไดดงน 2, 8, 3

2. ธาต Si มการจด IE 3 กลม ทมคาใกลเคยงกน เชนเดยวกบ Al คอ

กลมท 1 ม IE 2 ลำาดบ หรอมอเลกตรอน 2 ตว และคา IE สงสด

กลมท 2 ม IE 8 ลำาดบ หรอมอเลกตรอน 8 ตว และคา IE สงรองลงมา

กลมท 3 ม IE 4 ลำาดบ หรอมอเลกตรอน 4 ตว และคา IE ตำาทสด

การอธบายการจดเรยงอเลกตรอนจะเหมอนกบธาต Al คอ อเลกตรอนทอยหางจากนวเคลยสตามลำาดบควรจะเปน 2, 8, 4

3.สำาหรบธาตอนๆ ทเหลอกเชนเดยวกน สามารถจดกลม IE หรอกลมของอเลกตรอนได

ธาต อเลกตรอนกลมท 1 กลมท 2 กลมท 3

PSClAr

2222

8888

5678

จะเหนไดวา 20 ธาตแรก การจดกลมของอเลกตรอนภายในอะตอมตามคาของพลงงานไอออไนเซชน ซงแตกตางกนอยางเหนไดชดจะเปนดงน

ก. อเลกตรอนกลมแรกทอยใกลนวเคลยสทสด มไดมากทสด 2 ตว

ข. อเลกตรอนกลมทสอง ซงอยถดออกมามไดมากทสด 8 ตว

ค. อเลกตรอนทเหลอจะอยกลมท 3 ซงถาเหลอมากกวา 8 จะจดเปนกลมท 4

ระดบพลงงานของอเลกตรอนในอะตอมจากความรเกยวกบการเกดสเปกตรมของธาต ทำาใหทราบวา

ภายในอะตอมมการแบงเปนชนๆ รอบๆ นวเคลยส แตละชนเรยกวาระดบพลงงาน ในแตละระดบพลงงานจะมอเลกตรอนบรรจอย จากการศกษาพลงงานไอออไนเซชนลำาดบตางๆ ของธาต ทำาใหทราบวาในแตละระดบพลงงานจากนวเคลยสออกมาควรจะมอเลกตรอนไดระด บละเท าใด ด งเชนกรณของ 12Mg ทำาใหทราบวามการจดอเลกตรอนออกเปน 3 กลม

กลมท 1 ม IE สงสด (IE12 และ IE11) มอเลกตรอนอยใกลนวเคลยสทสด ใหเปนระดบพลงงานท 1 (n=1) มพลงงานในตวตำาทสด

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 ทำาใหทราบวาระดบพลงงานรอบๆ นวเคลยสนน ระดบท n=1 จะอยใกลนวเคลยสมากทสด และม

พลงงานประจำาระดบตำาทสด ระดบพลงงานท n=2 จะอยหางจากนวเคลยสถดออกมา และมพลงงานประจำาระดบสงขน ระดบสดทาย-----------------------------------------------------------------------

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

ใบความรท 6เรอง ตารางธาต

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

1. การจดธาตเปนหมวดหมจากการจดกลมสารประกอบคลอไรดและออกไซดของ 20

ธาตแรก จดกลมของ 20 ธาตแรกเรยงลำาดบมวลอะตอมจากนอยไปหามากไดดงน

H He Li Be B C N OF Ne Na Mg Al Si P SCl K Ar Ca

รปท 1 การจดกลม 20 ธาตแรกเรยงตามมวลอะตอม

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

I II III IV V VI H HeLi Be B C N

OF Ne

Na Mg Al Si P S Cl ArK Ca

รปท 2 การจดธาต 20 ธาตแรก โดยใหโลหะอยทางซาย อโลหะอยทางขวา

เมอพจารณาธาตแตละกลมทอยในแนวดงเดยวกน จะเหนไดวาแตละกลมมล กษณะและสมบตคลายกนมากทงในแงของสตร สถานะและสมบตกรดเบสเมอละลายนำา 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 เพอ

แบงธาตทมสมบตเหมอนกนออกเปนหมวดหม เพอใหงายแกการศกษา โดยแบงธาตทงหมดออกเปนหมและคาบ

ธาตทอยในแนวดงเดยวกน เรยกวา อยในหมเดยวกนธาตทอยในแนวนอนเดยวกน เรยกวา อยในคาบเดยวกนในระหวางป พ.ศ. 2346 ถง 2456 มธาตตาง ๆทพบใน

ธรรมชาตประมาณ 63 ธาต ซงนกวทยาศาสตรไดพยายามจดธาตเหลานใหเปนหมวดหมหรอเปนตารางธาตโดยในชวงแรก ๆ นนแบงธาตออกเปนหมวดหมโดยอาศยสมบตของธาต ทงนไดจากการสงเกตพบความคลายคลงกนของสมบตของธาตเปนกลม ๆ ทำาใหนำามาจดเปนตารางธาตได เชนแบงกลมโดยอาศยสมบตเกยวกบโลหะ-อโลหะ โดยอาศยสมบตของความเปนกรด-เบสของธาต เปนตน ตอมาเมอหามวลอะตอมของธาตได จงใชมวลอะตอมมา

ประกอบในการจดตารางธาต จนในปจจบนจดตารางธาตโดยอาศยการจดเรยงอเลกตรอน2.1 ตารางธาตของเดอเบอไรเนอร

การจดตารางธาตนนเร มข นตงแตป พ.ศ. 2360 (ค.ศ. 1817) โดย โยฮนน เดอเบอไรเนอร (Johaun Dobereiner) นกเคมชาวเยอรมน ไดนำาธาตตาง ๆ ทพบในขณะนนมาจดเรยงเปนตารางธาต โดยนำาธาตตาง ๆ ทมสมบตคลายคลงกนมาจดไวในหมเดยวกน หมละ 3 ธาต เรยงตามมวลอะตอมจากนอยไปมากในแตละหม มวลอะตอมของธาตทอยกลางจะเปนคาเฉลยของมวลอะตอมของธาตทเหลออก 2 อะตอม เรยกวา กฎชดสาม (law of triads หรอ Dobereine’s law of triads)

ตารางท 1 มวลอะตอมเฉลยของธาตบางกลมตามกฎชดสามธาต มวลอะตอม มวลอะตอมของ

ธาตแถวท 1 และ 3

LiNaKClBrI

6.94022.99739.09635.45379.909

126.197

23.018

81.197

จะเหนไดวามวลอะตอมเฉลย มคาใกลเคยงกบมวลอะตอมของธาตกลาง อยางไรกตาม เมอนำากฎดงกลาวไปใชกบธาตกลมอนทมสมบตคลายคลงกน ปรากฏวาไมมผลเทาทควร มวลอะตอมของธาตกลางไมเทากบคาเฉลยของมวลอะตอมของธาตทเหลอ กฎชดสามของเดอเบอไรเนอรจงไมเปนทยอมรบกนในเวลาตอมา2.2 ตารางธาตของนวแลนด

ในป พ.ศ. 2407 (ค.ศ. 1864) จอหน นวแลนด (John Newlands) นกเคมชาวองกฤษไดพบวาเมอนำาธาตตาง ๆ มาเรยงลำาดบตามมวลอะตอมจากนอยไปหามาก ใหเปนแถวตามแนวนอน สมบตของธาตจะมลกษณะคลายกนเปนชวง ๆ ซงลกษณะดงกลาวเกดขนทก ๆ ของธาตท 8

เชน ถาเร มตนจากธาต Li แลวเรยงลำาดบมวลอะตอมไปถงธาตท 8 จะตรงก บ Na ซ ง Li และ Na มสมบต ต าง ๆ คลายคลงกน

H Li Be B C N OF Na M

gAl Si P S

Cl K Ca Cr Ti Mn

Fe

รปท 3 ตวอยางการจดตารางธาตของนวแลนดสเ ร ยกกฎการจดตารางธาตของน วแลนด ส ว า law of

octaves หรอ Newlands’ law of octavesอยางไรกตาม กฎนไมเปนทยอมรบกน เนองจากไมสามารถ

อธบายวาเหตใดมวลอะตอมจงมาเกยวของกบความคลายคลงดงกลาว นอกจากกฎนแลวกยงใชไดกบ ธาตทมมวลอะตอมตำา ๆ ไมเกน 20 ธาตแรกเทานน หลงจากนนจะใชกฎนไมได

2.3 ตารางธาตของเมนเดเลเอฟในระหวางป พ.ศ. 2412 - 2413 (ค.ศ. 1269 - 1270) ย

ลอส ไมเออร (Julius Meyer) นกวทยาศาสตรชาวเยอรมน และดมทร เมนเดเลเอฟ (Dimitri Mendelejev) นกวทยาศาสตรชาวรสเซยไดพบในเวลาใกลเคยงกนวาสมบตตาง ๆ ของธาตมสวนสมพนธกบมวลอะตอมของธาตกลาวคอ ถาเรยงลำาดบธาตตาม“มวลอะตอมจากนอยไปหามาก จะพบวาธาต ๆ ตาง จะมสมบตคลายคลงกนเปนชวง ๆ ซงเมเดเลเอฟไดตงเปนกฎเรยกวา กฎ” “

พรออดก หรอกฎตารางธาต ” (Periodic law) และพมพเผยแพรในป พ.ศ. 2412 กอนทไมเออรจะพมพเผยแพรครงหนง ดงนนเพอเปนเกยรตแกเมนเดเลเอฟ จงเรยกตารางนวา ตารางพร “ออดกของเมนเดเลเอฟ หรอตารางธาตของเมนเดเลเอฟ” (Mendelejev’ s periodic table)

เกณฑ ท ส ำาค ญท เมนเดเลเอฟใชค อ จดธาตท ม สมบต คลายคลงกนทปรากฏซำากนเปนชวง ๆ ใหอยในหมหรอในแนวตงเดยวกน และพยายามเรยงลำาดบมวลอะตอมจากนอยไปหามาก ในกรณทเรยงตามมวลอะตอมแลวสมบตของธาตไมสอดคลองกน กพยายามจดใหเขาหมโดยปลอยใหชองวางเวนไวในตารางซงเมนเดเลเอฟคดวา ชองวางเหลานนนาจะเปนตำาแหนงของธาตซงยงไมมการคนพบในขณะนน ในการจดตารางธาตนอกจากจะใชมวลอะตอมแลว ยงใชสมบตทางเคมและทางกายภาพของสารประกอบอน ๆ นอกเหนอจากสารประกอบคลอไรด และออกไซดมาประกอบการพจารณาดวย

หม 1 หม 2 หม 3 หม 4 หม 5 หม 6 หม 7 หม 81 H 12 Li 7 Be

9.4B 11 C 12 N

14O 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 59Ni 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 Rh104Pd105 Ag 108

7 (Ag Cd In Sn Sb Te 1127

108) 112 113 118 122 1258 Cs

133Ba 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

ชองวางทเวนไวค อตำาแหนงของธาตทยงไมพบในสมยนน เนองจากตำาแหนงของธาตในตารางธาตสมพนธกบสมบตของธาต ทำาใหเมนเดเลเอฟสามารถทำานายสมบตของธาตไวลวงหนาไดดวย โ ด ย ก า ร ศ ก ษ า ส ม บ ต เ ก ย ว ก บ จ ด ห ล อ ม เ ห ล ว จ ด เ ด อ ด ความถวงจำาเพาะ และความรอนจำาเพาะ รวมทงสมบตเกยวกบสารประกอบคลอไรด และออกไซด

ตวอยางเชน ธาตทอยในชองวางใต Si เมนเดเลเอฟเรยกชอวาธาตเอคาซลคอน อก 15 ปตอมาคอในป พ.ศ. 2429 (ค.ศ. 1886) เคล เมนส ว งค เลอร (Clemens Winkler) น กวทยาศาสตรชาวเยอรมนจงได พบธาตน และเรยกช อว า ธาต เจอรเมเนยม (Ge) นนเอง

ตารางท 2 เปรยบเทยบสมบตของธาตเอคาซลคอนกบเจอรเมเนยมททำานายและทคนพบ

สมบต เอคาซลคอน เจอรเมเนยมพบ

ทำานายเมอ พ.ศ. 2414

(ค.ศ. 1871)

เมอพ.ศ. 2429 (ค.ศ.1886)

มวลอะตอมสของธาตความหนาแนน (g/cm3)จดหลอมเหลว (0C )สตรของออกไซดความหนาแนนของออกไซด (g/cm3)เมอผสมกบกรดไฮโดรคลอรก

72เปนโลหะสเทา

5.5สง

GeO24.7

ละลายไดเลกนอย

72.6เปนโลหะสเทา

5.36958

GeO24.70

ไมละลายท 25 0C

นอกจากธาตเอคาซลคอนแลว ยงมธาตอนทเมนเดเลเอฟ ไดเรยกชอไวลวงหนา เชน

ธาตทอยใต B เรยกวา เอคาโบรอน ธาตทอยใต Al เรยกวา เอคาอะลมเนยม

ซงปจจบนกคอธาต Se และ Ga ตามลำาดบการจดตารางธาตของเมนเดเลเอฟนน ถายดหลกการเรยง

ตามมวลอะตอมจากนอยไปหามากอยางเครงครด จะทำาใหธาตบางธาตซงมสมบตแตกตางกนอยในหมเดยวกน ทำาใหตองยกเวนไมเรยงตามมวลอะตอมบางแตเมนเดเลเอฟกไมสามารถใหเหตผลไดวาเปนเพราะเหตใดจงตองเรยงลำาดบธาตเชนนน เนองจากในขณะนนยงไมมความเขาใจเกยวกบโครงสรางของอะตอมไมมากพอ นกวทยาศาสตรตอ ๆ มาจงสรางแนวคดใหมวา ตำาแหนงของธาตในตารางธาตไมควรขนอยกบมวลอะตอม แตควรจะขนอยกบสมบตอน ๆ ทสมพนธกบมวลอะตอม

2.4 ตารางธาตของเฮนร โมสลย

เฮนร โมสลย (Henry Moseley) นกวทยาศาสตรชาวองกฤษ ไดแกไขตารางธาตของเมนเดเลเอฟใหถกตองขน โดยการพบวาเลขอะตอม หรอจำานวนโปรตอนในนวเคลยสของธาต มความสมพนธกบสมบตของธาตมากกวามวลอะตอม ทำาใหสอดคลองกบกฎพรออดกมากกวา สามารถสรางตารางธาตไดโดยไมตองสลบทธาตบางธาตเหมอนกรณการจดเรยงตามมวลอะตอม

ประมาณป พ .ศ. 2456 (ค.ศ. 1913) โมสลยจง เสนอตารางธาตใหมโดยเรยงตามเลขอะตอมจากนอยไปหามาก และจดธาตทมสมบตคลายคลงกนใหอยในหมเดยวกน และก ำาหนดกฎตารางธาตขนใหมเปน สมบตตาง ๆ ของธาตในตารางธาตขนอยกบ“เลขอะตอมของธาต”

3. ตารางธาตในปจจบน เนองจากปจจบนนกเคมพบวา การจดเรยงตวของอเลกตรอน

ในอะตอมของธาตมสวนสมพนธกบสมบตตาง ๆ ของธาต กลาวคอ ถาเรยงลำาดบธาตตามเลขอะตอมจากนอยไปหามาก จะพบวาธาตทมสมบต คลายคลงกนเป นชวง ๆ ตามลกษณะของการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอมของธาตนน ดงนนในปจจบนจงจดตารางธาตโดยเรยงตามเลขอะตอมจากนอยไปมาก ดงในรปท 5

รปท 5 ตารางธาตในปจจบนตารางธาตในรปท 5 เปนแบบทใชกนอยมากในปจจบน แบง

ธาตในแนวตงออกเปน 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* ธ า ต ห ม IIA เ ร ย ก ว า โ ล ห ะ อ ล ค า ไ ล น เ อ ร ท (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

สำาหรบการแบงธาตเปนคาบ ธาตทงหมดในตารางธาตแบงเปน 7 คาบ ซงในแตละคาบอาจจะมจำานวนธาตไมเทากน เชน

สำาหรบคาบตาง 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

สำาหรบ 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. การตงชอธาตทคนพบใหมจากตารางธาตในรปท 5 จะพบวามธาตอย 109 ธาต ซงยง

มการคนพบธาตใหม ๆ เพมขนอกหลายธาต แตยงไมไดกำาหนดสญลกษณทแนนอนไวในตารางธาต ธาตบางธาตถกคนพบโดยนกวทยาศาสตรหลายคณะ ทำาใหมชอเรยกและสญลกษณตางกน

เชน ธาตท 104 คนพบโดยคณะนกวทยาศาสตร 2 คณะ ค อ คณะของน กวทยาศาสตรสหรฐอเมรกา ซ ง เร ยกช อว า รทเทอรฟอรเดยม (Ratherfordium) และใชสญลกษณ Rf ในขณะทคณะนกวทยาศาสตรสหภาพโซเวยตเรยกชอวาเคอรซาโตเวยม(Kurchatovium) ใชสญลกษณ Ku

ธาตท 105 คนพบโดยคณะนกวทยาศาสตร 2 คณะเชนเดยวกน คอคณะนกวทยาศาสตรสหรฐอเมรกาเรยกชอวา ฮาหเนยม (Hahnium) และใชสญลกษณ Ha ในขณะทนกวทยาศาสตร

สหภาพโซเวยตใชชอวา นลสบอหเรยม (Neilbohrium) และใชสญลกษณเปน Ns

การทคณะนกวทยาศาสตรตางคณะตงชอแตกตางกน ทำาใหเก ดความสบสน International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) จงไดกำาหนดระบบการตงชอขนใหม 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 ทำาใหศกษาสมบตตาง ๆ ของธาตไดงายขน สามารถทำานายสมบตบางประการของธาตบางธาตได กลาวคอธาตทอยในหมเดยวกนจะมสมบตตาง ๆ คลาย ๆ กน และธาตทอยในคาบเดยวกน จะมแนวโนมของการเปลยนแปลงสมบตตาง ๆ ตอเนองกนไป ซงจะกลาวถงรายละเอยดตอไป

ใบความรท 7เรอง การจดเรยงอเลกตรอนกบหมและคาบของ

ธาต***************************************************

***** 1. การจดเรยงอเลกตรอนกบหมและคาบของธาต

จากการพจารณาการจดเรยงอเลกตรอนของธาต พบวามสวนสมพนธกบการจดหมและคาบของตารางธาตในปจจบน สำาหรบธาตกลม A ธาตทอยในหมเดยวกนจะมเวเลนซอเลกตรอนเทากน จำานวนเวเลนซอเลกตรอนของธาตในแตละหมจะตรงกบเลขประจำาหม

จำานวนระดบพลงงานทมอเลกตรอนอย จะเทากบเลขทคาบ นนคอธาตทอยในคาบเดยวกนจะมจำานวนระดบพลงงานเทากน

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 แตตางหมกนเพราะมเวเลนตอเลกตรอนตางกน คอ หม 1A และ 2A ตามลำาดบ

2. สมบตของธาตในตารางสมบตตางๆ ของธาตทจะศกษาในทนไดแกสมบตเกยวกบ

ขนาดอะตอม ขนาดไอออน พลงงานไอออนไนเซชน จดหลอมเหลว จดเดอด และอเลกโทรเนกาตวต โดยศกษาถงแนวโนมของการเปลยนแปลงวามความสมพนธกบตารางธาต ตามหมและคาบอยางไร2.1 ขนาดอะตอม

ขนาดอะตอมหาไดจากเทคนคทาง x-ray diffraction และ microwave spectroscopy

ถาอะตอมเรยงตวอยางมระเบยบแบบชดกนมากทสด ขนาดของอะตอมจะหาไดจากความสมพนธ ดงน

ขนาดของ 1 อะตอม = ปรมาตรของ 1 โมล =

จากแบบจำาลองอะตอมแบบกลมหมอก อะตอมมขอบเขตทไมแนนอน ระยะระหวางนวเคลยสถงผวอะตอมมคาไมคงท ท ำาใหหาขนาดของอะตอมทแทจรงไมได จากแบบจำาลองของอะตอมตามทฤษฎของโบร อเลกตรอนในไฮโดรเจนอะตอมอาจมพลงงานไดหลายคา ขนาดอะตอมของไฮโดรเจนจงขนอยกบวาอเลกตรอนอยในระดบพลงงานใด ถาอยในระดบพลงงานสง จะอยหางจากนวเคลยสมาก ขนาดอะตอมจะใหญ และถาอยในระดบพลงงานตำา จะอยใกลนวเคลยส ขนาดอะตอมจะเลก ดงนนจงทำาใหหาขนาดของอะตอมทแทจรงไมได

ในทางปฏบตนยมบอกขนาดอะตอมดวยรศมอะตอม โดยพจารณาจากเสนผานศนยกลางของโมเลกลอะตอมค หรอ อะตอม 2 อะตอมทอยชดกน โดยแบงรศมอะตอมเปน 3 ประเภท

ก. รศมโลหะ (metallic radii) เนองจากโลหะมการจดเรยงอะตอมแบบชดกน รศมอะตอมโลหะจงหาไดจากความยาวพนธะ

โลหะหารดวย 2 หรอระยะระหวางนวเคลยสของโลหะ 2 อะตอมหารดวย 2

รปท 1 รศมอะตอมของโลหะข. รศมโคเวเลนต (covalent radii) ไดจากความยาว

ของพนธะโคเวเลนตหารดวย 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

และรศมวนเดอรวาลสของโลหะบางชนดธาต ความยาวของ

รศมโคเวเลนต (pm)

รศมวนเดอรวาลส (pm)

HOClPS

377399

110104

120140155180190

ดงนนการกลาวถงรศมอะตอมจงควรอางถงดวยวาเปนรศมอะตอมชนดใด และการเปรยบเทยบขนาดอะตอมจะตองใชรศมอะตอมประเภทเดยวกนดวย อยางไรกตามการบอกคารศมอะตอมโดยทวไป จะหมายถง รศมโคเวเลนตซงรศมโคเวเลนตสามารถหาไดจาก ความยาวของพนธะโคเวเลนตดงกลาวมาแลว และถาตงสมมตฐานวารศมของอะตอมหนงๆ ในโมเลกลใดๆ มคาเทากน จะสามารถหารศมอะตอมของธาตตางๆ ได เชน

ก. ในโมเลกลไฮโดรเจนความยาวพนธะของ H - H = 72 pmเพราะฉะนนรศมอะตอมของ H = 74/2 = 37

pmข. ในโมเลกล HCl

ความยาวพนธะของ H-Cl = 136 pmรศมอะตอมของ H = 37 pm (จาก ขอ ก.)เพราะฉะนนรศมอะตอมของ Cl = 137 - 37 = 99

pmค. ในโมเลกล CCl4

ความยาวพนธะของ C-Cl = 176 pmรศมอะตอมของ Cl = 99 pm (จาก ขอ ข.)

เพราะฉะนนรศมอะตอมของ C = 176 - 99 = 77 pm

ความสมพนธระหวางขนาดอะตอมกบตารางธาตพจารณารศมอะตอมของธาตตางๆ ในตารางธาตดงตอไปน

รปท 3 รศมอะตอมของธาตตางๆ ในตารางธาตเมอนำารศมอะตอมของธาตตางๆ มาเขยนกราฟรวมกบเลข

อะตอมจะไดดงน

รปท 4 กราฟแสดงความสมพนธระหวางรศมอะตอมกบเลขอะตอมของธาต

เมอพจารณาเปรยบเทยบรศมอะตอมเฉพาะธาตทอยในหมเดยวกนและคาบเดยวกน จะไดดงน

ตารางท 2 เปรยบเทยบความยาวของรศมอะตอมของธาตหม IAธาตหม IA เลข

อะตอมรศมอะตอม

(pm)LiNaK

RbCs

311193755

152186227248265

ตารางท 3 เปรยบเทยบความยาวของรศมอะตอมของธาตในคาบท 2

ธาตคาบท 2เลขอะตอม

Li Be B C N O F

ร ศ ม อ ะ ต อ ม (pm)

3 4 5 6 7 8 9152 111 79 77 74 73 71

จากรศมอะตอมของธาตหม IA และธาตในคาบท 2 เมอนำามาเขยนเปนแผนภาพเพอแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมตามหมและตามคาบเปรยบเทยบกน จะไดดงน

รปท 5 แผนภาพแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมของธาตในหมเดยวกน และในคาบเดยวกน

ถาพจารณาธาตทกๆ หมและทกๆ คาบในตารางธาต อาจแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมไดดงแผนภาพตอไปน

หม IA หม VIIIA

หม ใหญ

เลก คาบ

รปท 6 แผนภาพแสดงแนวโนมของขนาดอะตอมในตารางธาตจากแนวโนมดงกลาว จงสามารถสรปขนาดของอะตอมหรอ

รศมอะตอมของธาตในหมเดยวกน และในคาบเดยวกนไดดงนก. ธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน ขนาดอะตอมจะ

ใหญขนข. ธาตในคาบเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน ขนาดอะตอมจะ

เลกลงเนองจากขนาดอะตอมขนอยกบจำานวนโปรตอนในนวเคลยส

และจำานวนระดบพลงงานทมอเลกตรอน ถามโปรตอนมาก นวเคลยสจะด งดดอเล กตรอนได แรง ท ำาใหอะตอมมขนาดเล ก แต ถ าม อเลกตรอนมากจำานวนระดบพลงงานจะเพมขน ทำาใหอเลกตรอนนอกสดอยหางจากนวเคลยสมาก อะตอมควรมขนาดใหญ การทธาตในหมเดยวกนมขนาดอะตอมใหญขน เมอเลขอะตอมเพมขน อธบายไดวาเพราะมจำานวนระดบพลงงานเพมขน แมจำานวนโปรตอนจะเพมขนดวยกตาม แตแรงดงดดตอเวเลนซอเลกตรอนมนอย จงทำาใหขนาดใหญขน กรณนการเพมระดบพลงงานมผลมากกวาการเพมจำานวนโปรตอน สวนธาตในคาบเดยวกนมขนาดเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน กเนองจากธาตในคาบเดยวกนมจำานวนระดบพลงงานเทากน แตเมอเลขอะตอมเพม จำานวนโปรตอนจะเพมขนดวย แรงดงดดระหวางนวเคลยสกบเวเลนซอเลกตรอนเพมขน ขนาดจงลดลง

2.2 ขนาดไอออนเม อธาตรวมตวก บเป นสารประกอบ อาจมบางชน ดเสย

อเลกตรอน กลายเปนไอออนบวก เชน ธาตโลหะ และบางชนดรบอเลกตรอนเพมเขามา ทำาใหกลายเปนไอออนลบ เชน ธาตโลหะ การทอะตอมเปลยนเปนไอออน ทำาใหขนาดเปลยนแปลงไปจากเดม ซงสรปโดยทวไปไดดงน

ก. ไอออนบวก หรอ ไอออนของโลหะ จะมขนาดเลกลงเมอเปรยบเทยบกบอะตอมเดม เนองจากโลหะเมอเสยอเลกตรอน กลายเปนไอออนบวก ระดบพลงงานลดลง ขนาดจงเลกลง

เชน Na 2, 8, 1 มรศมอะตอม 190 pmNa+ 2, 8 มรศมไอออน 98 pm

ข. ไอออนลบหรอไอออนของอโลหะ จะมขนาดใหญขนเมอเปรยบเทยบกบอะตอมเดม เนองจากอโลหะเมอรบอเลกตรอนเพมเขามาทำาใหแรงดงดดระหวาง อเลกตรอนกบนวเคลยส ลดลง ขนาดจงใหญขน

เชน Cl 2, 8, 7 มรศมอะตอม 99 pmCl- 2, 8, 8 มรศมไอออน 181 pm

ความสมพนธระหวางขนาดไอออนกบตารางธาตพจารณารศมของธาตบางชนดในตารางธาตเปรยบเทยบกบอะตอมเดม ดงตอไปน

รปท 7 เปรยบเทยบขนาดอะตอมและขนาดไอออนของธาตบางชนด (เสนประแสดงขนาดไอออน, หนวยเปน A0)

จากรป จะเหนไดวา ในหมเดยวกนขนาดของไอออนมแนวโนมใหญขนเมอเลขอะตอมเพมขน แตในคาบเดยวกน การเปลยนแปลงขนาดของไอออนมแนวโนมทไมแนนอน จงตองพจารณาในรายละเอยดตอไป

ก. ไอออนของโลหะพจารณาขนาดของไอออนของโลหะในหมและในคาบเดยวกน

ดงตอไปน

ตารางท 4 เปรยบเทยบขนาดของไอออนของโลหะในหมเดยวกน (หม IIA)

ธาตหม IIA เลขอะตอม

ไอออน รศมไอออน (pm)

รศมอะตอม (pm)

BeMgCaSrBa

412203856

Be2+

Mg2+

Ca2+

Sr2+

Ba2+

316599

113135

111160197215217

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

เมอนำามาเขยนเปนแผนภาพแสดงขนาด เพอใหเหนแนวโนมของการเปลยนแปลง จะไดดงน

รปท 8 แนวโนมของขนาดอะตอมอโลหะไอออนของโลหะในหมและในคาบเดยวกน

จะเหนไดวา ไอออนของโลหะในหมเดยวกนจะมขนาดใหญขน“เมอเลขอะตอมเพมขน และ ไอออนของโลหะในคาบเดยวกนจะม” “ขนาดเลกลงเมอเลขอะตอมเพมขน”

ข. ไอออนของอโลหะพจารณาขนาดของไอออนของอโลหะในหมและในคาบเดยวกน

ดงตอไปนตารางท 6 เปรยบเทยบขนาดของไอออนของโลหะในหมเดยวกน

(หม VIIA)ธาตหม VIIA เลขอะตอม ไอออน รศมไอออน

(pm)รศมอะตอม

(pm)FClBrI

9173553

F-

Cl-Br-

I-

136181195216

7199

114133

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

เมอนำามาเขยนเปนแผนภาพ แสดงขนาด เพอใหเหนแนวโนมของการเปลยนแปลง จะไดดงน

รปท 9 แนวโนมของขนาดของอะตอมและไอออนของอโลหะในหมและในคาบเดยวกน

จะเหนไดวา“ไอออนของอโลหะในหมเดยวกน จะมขนาดใหญขนเมอเลข

อะตอมเพมขน และ ” “ไอออนของโลหะในคาบเดยวกนจะมขนาดเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน”

จะเหนไดวา ทงไอออนของโลหะและอโลหะในหมเดยวกน จะมขนาดใหญขน เมอเลขอะตอมเพมขน

สำาหรบไอออนในคาบเดยวกน ถาพจารณาแยกกนระหวางโลหะกบอโลหะ จะมแนวโนมเปนอยางเดยวกนคอมขนาดเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน แตเมอมาพจารณารวมกนแนวโนมของขนาดจะไมเปนดงทกลาวแลว

พจารณาไอออนของธาตในคาบท 2ตารางท 8 เปรยบเทยบขนาดของไอออนของธาตในคาบท 3

ธาต Li Be B C N O Fเลขอะตอม 3 4 5 6 7 8 9ไอออน 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

เม อ เขยนแผนภาพแสดงขนาด จะได แนวโน มของการเปลยนแปลงดงน

รปท 10 แนวโนมขนาดของไอออนในคาบเดยวกนเปรยบเทยบกบขนาดอะตอม

ค. ไอออนทมจำานวนอเลกตรอนเทากนพจารณาขนาดของไอออนตางๆ ทมจำานวนอเลกตรอนเทากน

ทงไอออนบวกและไอออนลบ ดงตอไปน

ตารางท 9 แสดงขนาดของไอออนตางๆ ทม 10 อเลกตรอนเทากนเลขอะตอม 6 7 8 9 11 12 13ไอออน C4- N3- O2- F- Na+ Mg2

+Al3+

จำานวนอเลกตรอน

10 10 10 10 10 10 10

รศมไอออน 260 171 140 136 98 65 45

(pm)จากตาราง จะเหนไดวา ขนาดของไอออนทม 10 อเลกตรอน

เทากน เรยงลำาดบจากใหญไปหาเลกไดดงนC4- > N3- > O2- > F- > Na+ > Mg2+ >

Al3+

ทำาใหสรปไดดงน สำาหรบไอออนทมจำานวนอเลกตรอนเทา“กน ไอออนทมประจลบมากทสดจะมขนาดใหญทสด ขณะทไอออนทมประจบวกมากทสด จะมขนาดเลกทสด ”

สำาหรบไอออนทมจำานวนอเลกตรอนเทากนกลมอนๆ กเปรยบเทยบขนาดไดในทำานองเดยวกน ดงในรปท 11

รปท 11 เปรยบเทยบขนาดของไอออนเสนทบ () แสดงขนาดของไอออนทมจ ำานวน

อเลกตรอนเทากนเสนประ(¼) แสดงขนาดของไอออนในหมเดยวกน

สรปความสมพนธระหวางขนาดอะตอมและขนาดไอออนกบตารางธาต

ก . ในหมเดยวกน ทงขนาดอะตอมและไอออนจะใหญขนเมอเลขอะตอมเพมขน

ข . ในคาบเดยวกน ขนาดอะตอมจะเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน

ขนาดไอออนของโลหะจะเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขนขนาดไอออนของอโลหะจะเลกลง เมอเลขอะตอมเพมขน

ค . ไอออนทมจำานวนอเลกตรอนเทากน ไอออนทมประจลบมากทสด จะมขนาดใหญทสด และไอออนทมประจบวกมากทสด จะมขนาดเลกทสด

ใบความรท 8เรอง พลงงานไอออไนเซชน

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

พลงงานไอออไนเซชน หมายถง พลงงานทตองการใชสำาหรบทำาใหอเลกตรอนวงนอกสดของอะตอมหรอไอออนในสภาวะกาซ หลดออกไป 1 อเลกตรอน

เขยนเปนสมการทวๆ ไปไดดงนX (g) + IE X+ (g) + e-

IE คอ พลงงานไอออไนเซชนหมายเหต

1.พลงงานไอออไนเซชน จะตองเกยวของกบอเลกตรอนครงละ 1 อเลกตรอนเทานน มฉะนนจะไมใชพลงงานไอออไนเซชน

เชน X (g) X2+ (g) + 2e-

X+ (g) X3+ (g) + 2e-

ทงสองปฏกรยาไมใชพลงงานไอออไนเซชน

2. พลงงานไอออไนเซชน จะตองเกยวของกบอะตอมหรอไอออนทอยในสภาวะกาซเทานน เชน

X (g) + IE1 X+ (g) + e-

X+ (g) + IE2 X2+ (g) + e-

ทง IE1 และ IE2 ตางกเปนพลงงานไอออไนเซชนพลงงานทใชในปฏกรยาตอไปน ไมใชพลงงานไอออไนเซชน

X (s) X+ (g) + e-

X (l) X+ (g) + e-

X (g) X+ (aq) + e-

ฯลฯ3. เมอดงอเลกตรอนตวท 1, 2, 3 …… ออก จะเรยกชอ

วา เปนพลงงานไอออไนเซชนลำาดบท 1, 2, 3 , .. ตามลำาดบ เขยนยอๆ เปน IE1 , IE2 , IE3 , ….

เขยนสมการแสดงคา IE1 , IE2 , IE3 , …. ไดดงนX (g) + IE1 X+ (g) + e-

X+ (g) + IE2 X2+ (g) + e-

X2+ (g) + IE3 X3+ (g) + e-

โดยทในธาตแตละชนด IE1 < IE2 < IE3

พลงงานไอออไนเซชนลำาดบท 1 ( IE1 ) พลงงานไอออไนเซชนลำาดบท 1 ( IE1 ) คอ พลงงานไอออไนเซชนทใชสำาหรบดงอเลกตรอนตวแรกออกจากอะตอมทเปนกาซ เขยนเปนสมการทว ๆ ไปไดดงน

M(g) M+(g) + e- ; IE1เชน Be(g) Be+(g) + e- ; IE1 =

0.906 MJ/molหมายความวา ถาตองการดงอเลกตรอนตวทอยวงนอกสด

ของอะตอม 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

พลงงานไอออไนเซชนลำาดบท 2 ( IE2 ) พลงงานไอออไนเซชนลำาดบท 2 ( IE2 ) คอ พลงงานไอออไนเซชนทใชสำาหรบดงอเลกตรอนตวทสองออกจากไอออนบวกทเปนกาซ เขยนเปนสมการทว ๆ ไปไดดงน

M+ (g) M2+(g) + e- ; IE2เชน

N+ (g) N2+(g) + e- ; IE2 = 2.862 MJ/mol

Al+ (g) Al2+(g) + e- ; IE2 = 1.823 MJ/mol

พลงงานไอออไนเซชนลำาดบอน ๆ กพจารณาไดในทำานองเดยวกน เขยนเปนสมการทว ๆ ไปไดดงน คอ

M(n)+ (g) M(n+1)+ (g) + e-

; IEn+1ธาตไฮโดรเจนม 1 e จงมเพยง IE1 คาเดยว ธาตอน ๆ ม

หลายอเลกตรอนกจะม IE หลายคา ถาอะตอมของธาตหนงม n อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชนไดถง n ลำาดบ เชน

ธาต He ม 2 อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชน 2 ลำาดบ

ธาต Cl ม 17 อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชน 17 ลำาดบ

ธาต Mg ม 12 อเลกตรอน จะมพลงงานไอออไนเซชน 12 ลำาดบ เปนตน

ในกรณทธาตนนเปนของแขงหรอของเหลว ในตอนแรกทใสพลงงานเขาไปจะไมไปใชอเลกตรอน แตจะใชในการเปลยนสถานะ ดงนนไมวาธาตจะอยในสถานะใด เมอไดรบพลงงานมากพอกจะเปลยนภาวะมาเปนอะตอมในสถานะกาซ และถาใหพลงงานตอไปอก

จนทำาใหอเลกตรอนหลดออกจากอะตอมทเปนกาซ พลงงานสวนนจะเรยกวาพลงงานไอออไนเซชน

ดงน น พลงงานทใชในการเปลยนแปลงตอไปนจงไมใช พลงงานไอออไนเซชน

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-

ฯลฯปจจยทมผลตอคาพลงงานไอออไนเซชน

ก . ขนาดอะตอม ถาอะตอมมขนาดเลก จะมคา IE มาก แตถาอะตอมมขนาดใหญจะมคา IE จะนอย

ข . ประจในนวเคลยส ถาอะตอมมประจในนวเคลยสมาก คา IE จะมาก แตถามประจในนวเคลยสนอย คา IE จะนอย โดยทวๆ ไปขนาดของอะตอมจะมผลตอค า IE มากกวาประจในน วเคลยส นอกจากน การพจารณาคา IE ของธาตตางๆ อาจจ ำาเป นตองพจารณาปจจยอนๆ นอกเหนอจากนดวย เชน

-โครงสรางอะตอม กลาวคอ อะตอมหรอไอออนทมการจดเรยงอเลกตรอนครบออกเตต เชน Na+ (g) , Mg2+ (g), F- (g), Ne ซงอยในภาวะทเสถยร จะมคา IE สงมาก

-แรงผลกของอเลกตรอนใน orbital เดยวกน ซงทำาใหเกดแรงผลกระหวางอเลกตรอนทำาใหคา IE นอยลงความสมพนธระหวาง IE1 กบตารางธาต พจารณาคา IE1 ของธาตตางๆ จากกราฟตอไปน

รปท 1 กราฟแสดงความสมพนธระหวางคา IE1 กบเลขอะตอมของธาต

จากกราฟจะเหนไดวาคา IE1 ในหมและในคาบเดยวกนมแนวโนมของการเปลยนแปลงทสำาคญพอจะสรปไดดงน

ก . ธาตในหมเดยวกน คา IE1 จะลดลงเมอเลขอะตอมเพมขน ทงนเพาะธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขนขนาดของอะตอมจะใหญขน ทำาใหแรงยดเหนยวระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนนอยลง คาจงลดลง (ดคา IE1 ของธาตหมIA ในตารางท 1)

ข . ธาตในคาบเดยวกน คา IE1 จะเพมขนเมอเลขอะตอมเพมขน ทงนเพราะขนาดอะตอมเลกลงตามลำาดบนนเอง ดงนนโลหะจงมคา IE1 ตำากวาอโลหะ (ดคา IE1 ของธาตในคาบท 2 ในตารางท 2)

ตารางท 1 แสดงคา IE1 ของธาตในหมเดยวกน (หม IA)ธาต เลขอะตอม รศมอะตอม

(pm)IE1 (kJ/mol)

LiNaK

RbCs

311193755

152186227248265

526502425409382

ตารางท 2 แสดงคา IE1 ของธาตในคาบเดยวกน (คาบท 2)ธาตเลขอะตอมร ศ ม อะตอม(pm)IE1 (kJ/mol)

Li3

152526

Be4

112906

B5

88807

C6

77109

3

N7

77140

7

O8

66168

7

F9

64168

7

Ne10

112208

7

จะเหนไดวาธาตในหมเดยวกนเมอเลขอะตอมเพมขน คา IE1

ลดลงตามลำาดบ แตธาตในคาบเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน คา IE1 สวนใหญเพมขน แตมบางธาตคา IE1 ลดลงอยางไรกตามเมอพจารณาโดยรวม จากการดแนวโนมของการเปลยนแปลงในกราฟรปท 3.12 กจะพบวาในคาบเดยวกนเมอเลขอะตอมเพมขนคา IE1 ม แนวโนมเพมขน การทคา IE1 ของบางธาตไมเพมขน อาจจะอธบายไดดงน

1. ในคาบท 2 คา IE1 ของ Be มากกวา B ทงๆ ท Be ม ขนาดใหญกวา B เนองจากปจจยเกยวกบโครงสรางของอะตอม

4Be = 1s2 2s2 มเวเลนตอเลกตรอนเปน 2s2

ซงมลกษณะคลายกบ He ดงนนโครงสรางอะตอมจงเสถยรมาก คา IE1 จงสง

5B = 1s2 2s2 2p1 มเวเลนตอเลกตรอนเปน 2p1 ซงไมครบออกเตต ทำาใหโครงสรางอะตอมไมเสถยรเทา Be ดงนน IE1 จงนอยกวาของ Be

2. ในกรณของ N และ O ปรากฏวา N ม IE1 สงกวา O เพราะป จจยเก ยวก บแรงผล กของอ เล กตรอนในออรบทอล (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 ทำาใหคา IE1 นอยกวา

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

ใบความรท 9เรอง สมบตของธาตตามหมและตามคาบ (2)

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

1. อเลกโทรเนกาตวตอเลกโทรเนกาตวต เปนความสามารถของอะตอมของธาตใน

การดงดดอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาใกลนวเคลยส ธาตทมอเลกโทรเนกาตวตสงกวาจะแสดงอำานาจไฟฟาลบ สวนธาตทมอเลกโทรเนกาตวตตำากวา จะแสดงอำานาจไฟฟาบวก

ปจจยทมผลตอคาอเลกโทรเกาตวต เหมอนกบปจจยทมผลตอคา IE คอ

ก. ขนาดของอะตอม อะตอมทมขนาดเลก จะมคาอเลกโทรเนกาตวตสงกวาอะตอมทมขนาดใหญ เนองจากอะตอมทมขนาดเลดสามารถดงดดอเลกตรอนครวมพนธะใหเเขาใกลนวเคลยสไดมากกวา

ข. ประจในนวเคลยส อะตอมทมประจในนวเคลยสมากกวา จะมคาอเลกโทรเนกาตวตสงกวา เพราะสามารถดงอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาใกลนวเคลยสไดมากกวา

ดงนน ธาตทมขนาดเลกและมประจในนวเคลยสมาก จะมคาอเลกโทรเนกาตวตสง

อยางไรกตาม โดยทวๆ ไปขนาดของอะตอมจะมผลตอคาอเลกโทรเนกาตวตมากกวาประจในนวเคลยส เชน

Na มรศมอะตอม 186 pm มอเลกโทรเนกาตวต 0.9Mg มรศมอะตอม 160 pm มอเลกโทรเนกาตวต 1.2Mg มขนาดเลกกวาและมประจในนวเคลยสมากกวา จงมอเลก

โทรเนกาตวตมากกวา

อกตวอยางหนงMg มรศมอะตอม 160 pm มอเลกโทรเนกาตวต 1.2Ca มรศมอะตอม 197 pm มอเลกโทรเนกาตวต 1.0Mg มขนาดเลกกวา จงมอเลกโทรเนกาตวตมากกวา Ca

(ถงแมวา Mg จะมประจในนวเคลยสนอยกวา Ca )

การคำานวณคาอเลกโทรเนกาตวตอเลกโทรเนกาตวตของธาตหนงๆ ไดจากการคำานวณไมใชได

จากการทดลอง ซงการคำานวณมหลายวธตางๆ กน ไลนส พอลง (Linus Pauling) นกเคมชาวอเมรกนไดคำานวณคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ทสามารถเกดพนธะระหวางกนได โดนพจารณาจากปจจยเกยวกบพลงงานพนธะของพวกโมเลกลอะตอมคดงตอไปน

ENA - ENB = -(0.208 21

BBAAAB )

ENA = อเลกโทรเนกาตวตของธาต AENB = อเลกโทรเนกาตวตของธาต BHAB = พลงงานพนธะของ A - BHAA = พลงงานพนธะของ A - AHBB = พลงงานพนธะของ B - B(หนวยของพลงงานเปน kcal/mol)

จากความสมพนธดงกลาว เมอทราบพลงงานพนธะจะสามารถคำานวณอเลกโทรเนกาตวตเปรยบเทยบระหวางธาต 2 ธาตทเกดพนธะกนได ซงถาทราบคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตหนง จะหาคาอเลกโทรเนกาตวตของอกธาตหนงได

พอลงใชวธเปรยบเทยบโดยกำาหนดใหธาต F ซงมขนาดเลกทสดและเกดพนธะได มอเลกโทรเนกาตวตสงทสดคอ เทากบ 4.0 หลงจากนนจงคำานวณอเลกโทรเนกาตวตของธาตอนๆ โดยการเปรยบเทยบกบธาต F และธาตอนๆ ททาบคาอเลกโทรเนกาตวตแลว

ความสมพนธระหวางอเลกโทรเนกาตวตกบตารางธาตพจารณาคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ในตารางธาตดง

ตอไปน

รปท 1 แสดคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ในตารางธาต

เมอนำาคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตมาเขยนเรยงลำาดบตามเลขอะตอม จะไดดงน

รปท 2 กราฟแสดงคาอเลกโทรเนกาตวตของธาต

จากลกษณะของกราฟจะสามารถสรปแนวโนมของการเปลยนแปลงคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตในหมและในคาบเดยวกนไดดงน

ก. ธาตในหมเดยวกน คาอเลกโทรเนกาตวตมแนวโนมลดลงเมอเลขอะตอมเพมขน เนองจากขนาดอะตอมใหญขน ทำาใหแรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนมคาลดลง คาอเลกโทรเนกาตวตจงตำา

ข. ธาตในคาบเดยวกน คาอเลกโทรเนกาตวตมแนวโนมเพมขน เมอเลขอะตอมเพมขน เนองจากขนาดอะตอมเลกลง ทำาใหแรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนมคามากขน สามารถดงดดอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาใกลนวเคลยส คาอเลกโทรเนกาตวตจงสง

ค. ธาตเฉอย ไมมคาอเลกโทรเนกาตวต เนองจากธาตเฉอยเกดสารประกอบไดยาก จงไมไดคำานวณไว

จากคาอเลกโทรเนกาตวตของธาตตางๆ ในตารางธาตจะเหนไดวาโลหะซงอยทางซายมอของตารางธาต มคาอเลกโทรเนกาตวตต ำา เมอมการสรางพนธะกบอะตอมของธาตอน อเลกตรอนจงมแนวโนมทจะถกดงออกจากอะตอมไดงาย ธาตเหลานจดวาเปนพวกชอบใหอเลกตรอนหรอเรยกวา electropositive element ในขณะทอโลหะ (ยกเวนธาตเฉอย) ซงอยทางขวามอของตารางธาต มคาอเลกโทรเนกาตวตสง เมอมการสรางพนธะกบอะตอมของธาตทมอเลกโทรเนกาตวตตำากวา จะสามารถดงอเลกตรอนครวมพนธะใหเขาหาตวไดงาย ธาตเหลานจดวาเปนพวกชอบอเลกตรอนหรอเรยกวา electronegative element

ประโยชนของอเลกโทรเนกาตวต1.ใชทำานายวาธาต 2 ธาต เมอเกดสารประกอบจะเปนไอออนก

หรอโคเวลนต โดยพจารณาจากผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวตระหวางธาตครวมพนธะ แลวคำานวณออกมาเปน% ionic ดงน

ตารางท 1 แสดงเปอรเซนตไอออนก จากผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวต

(EN)%ionic

0.10.5

0.21

0.32

0.44

0.56

0.69

0.712

0.815

0.919

1.022

1.126

(EN)%ionic

1.230

1.334

1.439

1.543

1.647

1.751

1.855

1.959

2.063

2.167

2.270

(EN)%ionic

2.374

2.476

2.579

2.682

2.784

2.886

2.988

3.089

3.191

3.292

(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 โดยมความเปนไอออนกเรยงลำาดบดงน KCl > NaCl > LiCl

2. การพจารณาสภาพขวของพนธะ โดยเฉพาะโมเลกลโคเวเลนต เมอตองการจะทราบวาพนธะมขวหรอไม พนธะใดมขวของพนธะมากกวากน ใหดจากผลตางของคาอเลกโทรเนกาตวต ถามคาอเลกโทรเนกาตวตเทากนจะไดวาพนธะไมมขว เชน H-H, NN แตถาม

คาอเลกโทรเนกาตวตตางกนจะไดพนธะทมขว 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 เปนพนธะไมมข ว HCl, HBr, และ HI เปนพนธะมขว โดยเรยงลำาดบขว ของพนธะจากมากไปนอยไดดงน

HCl > HBr > HI3. ใชประกอบการเขยนสตรสารประกอบ โดยทวๆ ไปในการ

เขยนสตรของสารประกอบของธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวตตำาจะเขยนไวขางหนาและธาตทมอเลกโทรเนกาตวตสงกวาจะเขยนไวขางหลง เชน NaCl, Cl2O, OF2 เปนตน

นอกจากสมบตของธาตในตารางธาตเกยวกบขนาดอะตอม พลงงานไอออไนเซชน จดหลอมเหลว จดเดอดและคาอเลกโทรเนกาตวตแลวยงมสมบตอนๆ ของธาตทนาสนใจอกเชน อเลกตรอนอฟฟนต และความเปนโลหะของธาต เปนตน

2. อเลกตรอนอฟฟนต (สมพรรคภาพอเลกตรอน)อ เ ล ก ต ร อ น อ ฟ ฟ น ต (electron affinity) ห ม า ย ถ ง

พล งงานท คายออกมาเม ออะตอมท เป นกลางในภาวะก าซรบอเลกตรอน 1 ตว กลายเปนไอออนลบในสภาวะกาซ

เขยนเปนสมการทวๆ ไปไดดงนX (g) + e- X- (g) + พลงงาน

พลงงานนคอ พลงงานอเลกตรอนอฟฟนตนนเอง

หนวยของพลงงานอเลกตรอนอฟฟนตจะเหมอนกบพลงงานไอออไนเซชนคอ kJ/mol หรอ หนวยทใหญกวา MJ/mol และหนวยทเลกกวาคอ eV

ธาตทมอเลกตรอนอฟฟนตสง จะคายพลงงานออกมามากเมอรบอเลกตรอนเขาไป ทำาใหเกดไอออนลบทมความเสถยรมาก ดงนนอเลกตรอนอฟฟนตจงใชทำานายความสามารถในการเปนไอออนลบ กลาวคอ ธาตทมอเลกตรอนอฟฟนตสง จะสามารถเกดเปนไอออนลบไดงายกวาธาตทมอเลกตรอนอฟฟนตตำา

เชน Cl, Br มอเลกตรอนอฟฟนตสง จงเกดเปน Cl- , Br-

ได แต Na , K มคาอเลกตรอนอฟฟนตตำามาก จงไมสามารถเกดเปนไอออนลบได

ปจจยทมผลตอคาอเลกตรอนอฟฟนตเหมอนกบปจจยทมผลตอพลงงานไอออไนเซชนและอเลกโทร

เนกาตวต คอขนอยกบขนาดของอะตอมและประจในนวเคลยสก. ขนาดของอะตอม อะตอมทมขนาดเลก จะมอเลกตรอน

อฟฟนตมากกวา อะตอมทมขนาดใหญข. ประจในนวเคลยส อะตอมทมประจในนวเคลยสมาก จะม

อเลกตรอนอฟฟนตมากกวาอะตอมทมประจในนวเคลยสนอย

ปจจยเกยวกบขนาดของอะตอมจะมผลตออเลกตรอนอฟฟนตมากกวาประจในนวเคลยส

รปท 3 แสดงคาอเลกตรอนอฟฟนตของธาตบางชนด

3. สมบตการนำาไฟฟาอาศยการนำาไฟฟาของธาต จะสามารถแบงธาตตางๆ ออกเปน

3 กลมใหญๆ คอ โลหะ (metal) อโลหะ (non-metal) และกงโลหะ (metalloid) โดยกำาหนดคณสมบตของกลมตางๆ ดงน

ก . โลหะ เปนธาตทชอบใหอเลกตรอน มเวเลนซอเลกตรอน 1, 2 หรอ 3 นำาไฟฟาไดดทอณหภมหอง เพราะมพนธะโลหะ แตการนำาไฟฟาจะลดลงเมออณหภมสงขน ในตารางธาตจะมโลหะประมาณ 3 ใน 4 ของธาตทงหมด คอตงแตทางซายมอของตารางธาตไปถงบรเวณเสนขนบนได รวมโลหะแทรนซชนและอนเนอรแทรนซชนดวย

ข . อโลหะ เปนธาตทชอบรบอเลกตรอน มเวเลนตอเลกตรอนตงแต 4 ตวขนไป เปนฉนวนไฟฟาในทกสถานะ กลาวคอ สมบตการนำาไฟฟาจะมนอยมากจนไมสามารถวดได ในตารางธาตจะมอย 1 ใน 4 ของธาตทงหมด คอตงแตธาตทอยทางขวามอของตารางธาตจนถงขนบนได

ค . กงโลหะ เปนธาตทมสมบตของโลหะและอโลหะผสมกนอย ทอณหภมปกตจะนำาไฟฟาไดนอย และเมออณหภมสงขนการนำาไฟฟาจะมากขน ตำาแหนงของธาตกงโลหะจะอยตรงบรเวณเสนขนบนได ไดแกธาต B Si Ge As และ Te (ถาพจารณาธาตกงโลหะในแงความเปนกรด-เบสของออกไซด ธาตกงโลหะไดแก Be, Al, Ge, Sn และ Pb)

ธาตกงโลหะอาจจะทำาใหการนำาไฟฟามากขนได โดยการเตมธาตบางอยางผสมลงไปเลกนอย ทงนเพราะธาตกงโลหะ มความวองไวตอปรมาณของสารไมบรสทธเปนอยางมาก ทำาใหเกดโครงสรางทนำาไฟฟาไดด เชน ธาต Si และ Ge ซงเปนกงโลหะ เมอเตมธาตหม IIIA (Al , Ga, IN) หรอหม VA (P, As, Sb ) ลงไปเลกนอย จะทำาใหการนำาไฟฟาเพมขนอยางมาก สามารถนำาไปใชทางดานอเลกโท

รนกสไดเปนอยางด เชน ทำาทรานซสเตอร เซม-คอนดกเตอร เปนตน โดยทวไปสารกงโลหะมกจะมโครงสรางโมเลกลทสลบซบซอน

4. ความสมพนธระหวางความเปนโลหะกบตารางธาตก. ธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขนความเปนโลหะจะ

เพมขนข. ธาตในคาบเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน ความเปนโลหะ

จะลดลง

5. ความหนาแนนกบตารางธาตความหนาแนนของธาตพจารณาไดจากความสมพนธระหวาง

มวลและปรมาตรดงนความหนาแนน = ปรมาตร

มวล

จากสตรจะเหนไดวาการเพมมวลจะทำาใหความหนาแนนเพมขน ในขณะทการเพมปรมาตรจะทำาใหความหนาแนนลดลง

ถาอตราการเพมมวลมากกวาการเพมปรมาตร ความหนาแนนจะเพมขน แตในทางตรงกนขาม ถาอตราการเพมมวลนอยกวาการเพมปรมาตร ความหนาแนนจะลดลง

จากหลกการดงกลาวเมอนำามาพจารณาธาตในหมและคาบเดยวกนจะเปนดงน

ก. ธาตในหมเดยวกน เมอเลขอะตอมเพมขน จะพบวาความหนาแนนจะมแนวโนมเพมขน หรอ ความหนาแนนของธาตเพมขนจากลบลงลาง ทงนเพราะอตราการเพมมวลของธาตมคามากกวาอตราการเพมปรมาตร ดงเชน ธาตในหม IA

ตารางท 2 ความหนาแนนของธาตหม IAธาต เลขอะตอม ความหนาแนน

(g/cm3)LiNaK

31119

0.530.970.86

RbCs

3755

1.531.87

ข. ธาตในคาบเดยวกน เนองจากในคาบเดยวกนมทงโลหะและอโลหะ วงมความหนาแนนเปลยนแปลงอยางไมตอเนอง ทำาใหสรปตามเลขอะตอมทเพมขนไมได

ดงเชน ความหนาแนนของธาตในคาบท 2 ดงตอไปนตารางท 3 ความหนาแนนของธาตในคาบท 2

ธาตเลขอะตอมความหนาแน น (g/cm3)

Li3

0.53

Be4

1.85

B5

2.34

C6

2.26

N7

0.8

O8

1.15

F9

1.5

Ne101.2

สำาหรบ N , O , F และ Ne พจารณาความหนาแนนในสถานะของเหลว

รปท 4 กราฟแสดงความหนาแนนของธาต 18 ธาตแรกตามเลขอะตอมทเพมขน

6. จดหลอมเหลวและจดเดอด

จดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตขนอยกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล ถาแรงระหวางโมเลกลมคามาก จดหลอมเหลวและจดเดอดจะมคาสง ในทางตรงกนขามถาแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลมคานอยจดหลอมเหลวและจดเดอดจะมคาตำา

สำาหรบโลหะ อะตอมของโลหะยดเหนยวกนดวยพนธะโลหะ ซงเปนแรงยดเหนยวทแขงแรงพอประมาณ ถาพนธะโลหะมความแขงแรงมาก จะทำาใหจดหลอมเหลวและจดเดอดสง ถาพนธะโลหะมความแขงแรงนอยจะทำาใหจดหลอมเหลวและจดเดอดตำา โดยทวไปพนธะโลหะจะแขงแรงมากขน เมอธาตนน มเวเลนซอเลกตรอนมากขน หรอเมอธาตนนมขนาดเลกลง

สำาหรบอโลหะ ซงเปนธาตชนดโมเลกลเดยว จะรวมกนเปนกลมกอนหรอมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลเปนแรงวนเดอรวาลส ซงเปนแรงทคอนขางออน ความแขงแรงของแรงวนเดอรวาลสขนอยกบมวลโมเลกลและขนาดของโมเลกล อโลหะทมมวลโมเลกลสง มขนาดใหญ จะมแรงวนเดอรวาลสมาก ท ำาใหจดหลอมเหลวและจดเดอดสงกวาพวกทมมวลโมเลกลตำากวา หรอทมขนาดเลกกวาความสมพนธระหวางจดหลอมเหลวและจดเดอดกบตารางธาต

พจารณาจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ จากกราฟตอไปน

รปท 5 กราฟแสดงจดหลอมเหลวของธาต

รปท 6 กราฟแสดงจดเดอดของธาต

จากกราฟจะพบวาแนวโนมของการเปลยนแปลงจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ ในตารางธาตตามหมและคาบซงพอสรปไดดงน

1. ธาตในหมเดยวกนก. โลหะในหมเดยวกน คอ หม IA , IIA, และ IIIA

“จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมลดลง เมอเลขอะตอมเพมขน เนองจากความแขงแรงของพนธะโลหะลดลง เพราะมขนาด”อะตอมใหญขน (ดตวอยางไดในตารางท 4)ตารางท 4 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของโลหะในหม

เดยวกน (หม IA)ธาต เลขอะตอม จดหลอมเหลว

(0C)จดเดอด (0C)

LiNaK

RbCs

311193755

18098643929

1330892760688690

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

ตารางท 5 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของอโลหะในหมเดยวกน (หม VIIA)

ธาต เลขอะตอม จดหลอมเหลว (0C)

จดเดอด (0C)

FClBrI

9173553

-220-101

-7114

-188-3559

183

หมายเหตสำาหรบธาตหม IVA และ VA จดหลอมเหลวและ

จดเดอดมแนวโนมของการเปลยนแปลงไมชดเจน เนองจากมโครงสรางและแรงยดเหนยวระหวางอะตอมทแตกตางกน

2. ธาตในคาบเดยวกนก. โลหะในคาบเดยวกน คอ โลหะในหม IA , IIA, และ IIIA

ในคาบตางๆ จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมสงขน เมอเลข“อะตอมเพมขน เนองจากมพนธะโลหะทแขงแรงมากขน ทงนเพราะ”อะตอมมขนาดเลกลงและมจำานวนเวเลนตอเลกตรอนเพมขน (ตวอยางดงตารางท 6)

ตารางท 6 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของโลหะในคาบเดยวกน (คาบท 2)

ธาตเลขอะตอมจดหลอมเหลว (0C)จดเดอด (0C)

Li3

180133

0

Be4

1280

2480

B5

2030

3930

ข. อโลหะในคาบเดยวกน คอ อโลหะ หม VA, VIA , VIIA, และ VIIIA “จดหลอมเหลวและจดเดอดมแนวโนมลดตำาลงเมอเลขอะตอมเพมขน เนองจากแรงยดเหนยวระหวางโมเลกลคอ แรงวน”เดอรวาลสมคาลดลง เพราะขนาดของโมเลกลเลกลง โดยเฉพาะก าซเฉ อยเป นก าซประ เภทโมเลกลเด ยว และมขนาดเล ก ม จดหลอมเหลวและจดเดอดตำามาก ดงตวอยางในตารางท 7ตารางท 7 ตวอยางของจดหลอมเหลวและจดเดอดของอโลหะในคาบเดยวกน (คาบท 2)

ธาตเลขอะตอม

N7-

O8-

F9-

Ne10-

จ ดหลอมเหลว (0C)จดเดอด (0C)

210-

200

219-

180

220-

190

250-

245

อาจแสดงแนวโนมของการเปลยนแปลงจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ ตามหมและตามคาบ (ยกเวนธาตแทรนซชนและธาตบางธาต) ไดดงแผนภาพตอไปน

รปท 7 แผนภาพแสดงแนวโนมของจดหลอมเหลวและจดเดอดของธาตตางๆ

รปท 8 แผนภาพแสดงแนวโนมการเปลยนแปลงสมบตตางๆ ในหมและคาบเดยวกน

(หวลกศร หมายถง มคามาก)

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

ใบความรท 10เรอง เลขออกซเดชน

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

เลขออกซเดชน (Oxidation number)เลขออกซเดชน เปน คาประจไฟฟา หรอประจสมมตของอะตอม

หรอไอออนของธาต โดยคดจากจำานวนอเลกตรอนทใหหรอรบตามเกณฑทกำาหนดขน

เมอธาตตางๆ รวมกนเปนสารประกอบธาตทใหอเลกตรอนจะมเลขออกซเดชนเปนบวกและมคาเทากบจำานวนอเลกตรอนทใหนน สวนธาตทรบอเลกตรอนจะมเลขออกซเดชนเปนลบ และมคาเทากบจำานวนอเลกตรอนทรบนน

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

Na เป น Na+ ใหอ เล กตรอน 1 ต ว จ งม เลขออกซเดชน = +1

Al เป น Al3+ ใหอ เล กตรอน 3 ต ว จ งม เลขออกซเดชน = +3

Cl เป น Cl- รบอ เล กตรอน 1 ต ว จ งม เลขออกซเดชน = -1

O เป น O2- รบอ เล กตรอน 2 ต ว จ งม เลขออกซเดชน = -2

การพจารณาการใหหรอรบอเลกตรอนจะใชเกณฑจากคาอเลกโทนเนกาตวต ธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวตสงกวาจะเปนฝายรบอเลกตรอน ในขณะทธาตซงมคาอเลกโทรเนกาตวตตำากวาจะเปนฝายใหอเลกตรอน

โดยทวๆ ไปเมอใชคาอเลกโทรเนกาตวตเปนเกณฑ ธาตทมคาอเลกโทรเนกาตวตตำาจะมเลขออกซเดชนเปนบวก 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

เช น เลข ออ กซ เด ช น ข อ ง Cl ใน HCl , Cl2 , HClO , HClO2 , HClO3 ,และ HCkO4 มคาเปน -1 , 0, +1, +3, +5, และ +7 ตามลำาดบ

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

ก. วธคดเลขออกซเดชนในสารประกอบไอออนกเนองจากธาตทรวมกนเปนสารประกอบไอออนก มการใหและ

รบอเลกตรอน อยางชดเจน จงแสดงคาประจไฟฟาทชดเจน ทำาใหหาคาของเลขออกซเดชนไดงาย เชน

Na ใหอเลกตรอน 1 อเลกตรอนแก Cl ทำาใหเปน Na+

และ Cl-เพราะฉะนนเลขออกซเดชนของ Na = +1 และ Cl

= -1ข. วธคดเลขออกซเดชนในสารประกอบโคเวเลนตเนองจากธาตทมารวมกนเปนสารประกอบโคเวเลนตมแตการ

ใชอเลกตรอนรวมกนโดยไมมการใหหรอรบอเลกตรอน การพจารณาเลขออกซเดชนจงตองพจารณาจากจำานวนอเลกตรอนทใชรวมกน

โดยถอวา อเลกตรอนทใชรวมกนทงหมด เปนของธาตทมอเลกโทรเนกาตวตสงกวา ซงทำาใหธาตดงกลาวมเลขออกซเดชนเปนลบ

พจารณาตวอยางตอไปนH +Cl H Cl

HCl มการใชอเลกตรอน 1 ค โดยท Cl มอเลกโทรเนกาตวตสงกวา H ดงนน อเลกตรอนทใชรวมกนจงเปรยบเสมอนกบเปนของ Cl ทำาใหไดอเลกตรอนเกน 1 อเลกตรอน เลขออกซเดชนของ Cl จงเปน -1 ในขณะทของ H เปน +1

C + O CO Oมการใชอเลกตรอนรวมกน 2 ค โดยท O มอเลกโทรเนกาตว

ตสงกวา C จำานวนอเลกตรอนทใชรวมกนทงหมดจงเปนของ O เทากบวา O ทางซาย ไดรบอเลกตรอนจาก C มา 2 อเลกตรอน ในทำานองเดยวกน O ทางขวากรบอเลกตรอนจาก C 2 อเลกตรอน ดงนน O แตละอะตอมจงคลายกบไดรบ 2 อเลกตรอน จงมเลขออกซเดชนเป น -2 ในขณะท C เสยอ เล กตรอน จงมเลขออกซเดชนเปน +4

จากวธการหาเลขออกซเดชนดงกลาว จงไดนำามาสรปเปนกฎเกณฑดงน

เกณฑกำาหนดคาเลขออกซเดชนของธาตตางๆ 1. ธาตอสระทกชนด มเลขออกซเดชน = 0ธาตอสระดงกลาวไมวาจะอยในรปของอะตอม หรอโมเลกล ไม

วาจะมกอะตอมในโมเลกล เชน Na , H2 , S8 , P4 ตางกมเลขออกซเดชนเปน 0

2. เลขออกซเดชนของไอออน = ประจของไอออน เชนMg2+ มเลขออกซเดชน = +2Al3+ มเลขออกซเดชน = +3S2- 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 ม

เลขออกซเดชนเปน -1/2 ใน OF2 เปน +2 ง.เลขออกซเดชนของไฮโดรเจนในสารประกอบทวไปเปน

+1 ยกเวน ในสารประกอบไฮไดรด เชน NaH, CaH2 , AlH2 , เปน -1

4. ในสารประกอบใดๆ ผลรวมของเลขออกซเดชนของทก“อะตอมเทากบศนย เชน”

เลขออกซเดชนของสารประกอบ KMnO4 = 0เลขออกซเดชนของสารประกอบ MnO2 = 0

5. ในไอออนทประกอบดวยอะตอมมากกวา 1 ชนด ผลรวม“ของเลขออกซเดชนของทกๆ อะตอมเทากบประจของไอออน เชน”

เลขออกซเดชนของ MnO4- = -1

เลขออกซเดชนของ Cr2O72- = -2

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