- แบบจำลองอะตอมของดอลตัน
1.ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาค เรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้
2.อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น
3.สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ
ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน
- แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
การเคลื่อนที่ของรังสีแคโทด
รังสีแคโทดประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ จากข้อมูลการทดลองร่วมกับทฤษฎีทางแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้ทอมสันนำมาใช้คำนวณอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดได้ ทอมสันได้ทดลองเพื่อศึกษาอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดซ้ำหลายครั้งโดยเปลี่ยนชนิดของแก๊สและชนิดของโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วแคโทดปรากฏว่าอัตราส่วนของประจุต่อมวลของรังสีแคโทดมีค่าโดยประมาณเท่ากันคือ 1.76 × 10^8 คูลอมบ์/กรัม จึงสรุปได้ว่าอนุภาครังสีแคโทดที่ออกมาจากโลหะต่างชนิดกันเป็นอนุภาคเดียวกันซึ่งต่อมาได้ด้วยอนุภาคนี้ว่า อิเล็กตรอน
- แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
- แบบจำลองอะตอมของโบร์
มักซ์ พลังค์ นักวิทยาศาสตร์ ชาวเยอรมันได้ศึกษาพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและได้ข้อสรุปเกี่ยวกับความสำคัญระหว่างพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับความถี่ของคลื่นนั้นว่า พลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผันตามความถี่ของคลื่นและแปรผกผันกับความยาวของคลื่นดังความสัมพันธ์ต่อไปนี้
E แปรผันตรงกับ v
หรือ E = hv
เนื่องจาก E = c/แลมดาร์
ดังนั้น E = hc/แลมดาร์
เมื่อ E คือพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นจูล
h คือค่าคงตัวของพลังค์ มีค่า 6.626 × 10^-34 จูลต่อวินาที
v คือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีหน่วยเป็นเฮิรตซ์
c คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เท่ากับ 3 × 10^8 เมตรต่อวินาที
และ แลมดาร์ คือ ความยาวคลื่นมีหน่วยเป็นเมตร
ช่วงความยาวคลื่นและพลังงานของแถบสีต่างๆในสเปกตรัมของแสงขาว
สเปกตรัม
|
ความยาวคลื่น (nm)
|
แสงสีม่วง
แสงสีคราม - น้ำเงิน
แสงสีเขียว
แสงสีเหลือง
แสงสีแสด (ส้ม)
แสงสีแดง
|
400-420
420-490
580-590
590-650
590-650
650-700
|
- แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก
2.2 อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป
- อนุภาคในอะตอม
เมื่อน้ำมันร่วงผ่านรูบนขั้วไฟฟ้าบวกกระทบรังสีจะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น ทำให้ละอองน้ำมันบังหมดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าบวกบางหยดเคลื่อนที่เข้าหาขั้วไฟฟ้าล็อค และบางหยดลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้าขนาดของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งอยู่ระหว่างสนามไฟฟ้าสามารถสังเกตได้จากกล้องจุลทรรศน์และนำมาคำนวณหามวลของหยดน้ำมันที่สร้างความหนาแน่นของน้ำมัน และจากความสำคัญของน้ำหนักของหยดน้ำมันที่ลอยนิ่งเท่ากับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าทำให้สามารถคำนวณค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันได้ ซึ่งพบว่าค่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันมีค่าเป็นจำนวนเท่ากับ 1.60 × 10^-19 คูลอมบ์ มิลลิแกนจึงสรุปว่าประจุของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ 1.60 × 10^-19 คูลอมบ์ ไม่นำมาใช้คำนวณร่วมกับค่าประจุต่อมวลที่รายงานไว้โดยทอมสันจะได้หมดอิเล็กตรอนเท่ากับ 9.11 × 10^-28 กรัม
ในปีพ.ศ. 2429 ออยเกนโกลด์ ชไตน์ ได้ทำการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยการสลับตำแหน่งของแคโทดแอโนดซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปพบว่าจะเกิดการเรืองแสงแสดงว่ามีรังสีจากแอโนดซึ่ง เรียกรังสีนี้ว่ารังสีแคแนลหรือรังสีแอโนดซึ่งมีประจุบวก
ในปีพ.ศ. 2429 ออยเกนโกลด์ ชไตน์ ได้ทำการดัดแปลงหลอดรังสีแคโทดโดยการสลับตำแหน่งของแคโทดแอโนดซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปพบว่าจะเกิดการเรืองแสงแสดงว่ามีรังสีจากแอโนดซึ่ง เรียกรังสีนี้ว่ารังสีแคแนลหรือรังสีแอโนดซึ่งมีประจุบวก
ออยเกนโกลด์ชไตน์ได้ทำการทดลองกับแก๊สหลายชนิด พบว่ารังสีเอกซ์มีค่าประจุต่อมวลไม่คงที่ จนกระทั่งกลุ่มนักวิจัยนำทีมโดยรัฐศาสตร์และทอมสันได้ทำการศึกษาหลอดในลักษณะเดียวกันที่บรรจุแก๊สไฮโดรเจนทำให้ได้ข้อสรุปว่า อนุภาคบวกมีค่าประจุเท่ากับอิเล็กตรอนและหาค่ามวลของประจุได้เป็น 1.673 × 10^-24 กรัม ซึ่งมากกว่ามวลอิเล็กตรอนประมาณ 1840 เท่าที่อนุภาคนี้ว่าโปรตอน
ในปีพ.ศ. 2475 เจมส์แชดวิก นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปยังอะตอมของธาตุต่างๆ และทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเสี่ยงสูง ทำให้ทราบว่าในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าและเรียกว่า นิวตรอน ซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน การค้นพบนิวตรอนช่วยอธิบายและสนับสนุนข้อมูลเกี่ยวกับมวลของอะตอม ดังนั้นอิเล็กตรอนโปรตอนและนิวตรอนจึงเป็นอนุภาคในอะตอมซึ่งอนุภาคแต่ละชนิดมีรายละเอียดดังนี้
- เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป
อะตอมของธาตุแต่ละชนิดมีจำนวนโปรตอนเฉพาะตัวไม่ซ้ำกับธาตุอื่น ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตอนเรียกว่า เลขอะตอม เรียกผลรวมของนิวตรอนและโปรตอนว่า เลขมวล สัญลักษณ์ที่เขียนเกี่ยวกับสัญลักษณ์ของธาตุ เลขอะตอม และเลขมวลของอะตอม เรียกว่า สัญลักษณ์นิวเคลียร์ วิธีเขียนคือ เขียนเลขอะตอมไว้ด้านล่างซ้าย และเลขมวลไว้ด้านบนซ้ายของสัญลักษณ์
อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนอาจมีได้หลายค่า ทำให้อะตอมของธาตุเดียวกันมีมวลต่างกัน เฟรเดอริก ซอดดี นักเคมีชาวอังกฤษ เรียกอะตอมของธาตุเดียวกันที่มีเลขมวลต่างกันว่า ไอโซโทป นอกจากนี้ยังมี ไอโซโทน หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันแต่มีนิวตรอนเท่ากัน ไอโซบาร์ หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันเลขมวลเท่ากันแต่ละอะตอมต่างกัน และไอโซอิเล็กทรอนิกส์ หมายถึง ธาตุหรือไอออนที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน
2.3การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
อะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนอยู่รวมกันในนิวเคลียส โดยอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่ล้อมรอบและอยู่ในระดับพลังงานต่างกัน - จำนวนอิเล็กตรอนในแต่ละระดับพลังงาน
ระดับพลังงานที่ 1 มีจำนวนอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 2 อิเล็กตรอน
ระดับพลังงานที่ 2 มีจำนวนอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 8 อิเล็กตรอน
ระดับพลังงานที่ 3 มีจำนวนอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 18 อิเล็กตรอน
นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่แต่ละระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ 2n^2
- ระดับพลังงานหลัก และระดับพลังงานย่อย
การอธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของโบว์ได้จุดประกายให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนเกิดความสนใจและศึกษาเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมมากขึ้น ซึ่งนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่าเส้นสเปกตรัมที่เกิดขึ้นนอกจากเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานหลักซึ่งแทนด้วย n แล้วยังเป็นการคายพลังงานของอิเล็กตรอนจากระดับพลังงานย่อยของแต่ละระดับพลังงานหลักอีกด้วย นักวิทยาศาสตร์ได้กำหนดระดับพลังงานย่อยเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับ
จากรูป จะสรุปได้ว่า ระดับพลังงานที่1 (n=1 ) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s
ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n=2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p
ระดับพลังงานที่ 3 (n=3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d
และระดับพลังงานหลักที่ 4 (n=4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f
บริเวณรอบนิวเคลียสมีโอกาสพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะ เรียกว่า ออร์บิทัล ซึ่งแต่ละระดับพลังงานย่อยมีค่าออร์บิทัลต่างกัน- ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิทัล
จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย s p d และ f มีค่าเท่ากับ 2 6 10 และ 14 ตามลำดับ แต่เนื่องจากพลังงานย่อย s p d และ f มี 1 3 5 และ 7 ออร์บิทัลตามลำดับ แสดงว่า 1 ออร์บิทัลบรรจุอิเล็กตรอนได้้ 2 อิเล็กตรอน
การจัดเรียงให้พิจารณาตามหลักอาฟบาว คือต้องบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ- หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม
เริ่มจาก 1s 2s 2p 3s ... ตามลำดับ
2.4 ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก
Johann Dobereiner(ค.ศ.1780-1849) จัดเรียงธาตุเป็นหมวดหมู่ โดยนำธาตุที่มีสมบัติคล้ายกันมาจัดไว้ในหมู่เดียวกันหมู่ละ 3 ธาตุ เรียงตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากและธาตุแต่ละหมู่มวลอะตอมที่อยู่ตรงกลางจะเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีก 2 ธาตุ กฎนี้เรียกว่า Law of Triads- วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุ
John Newlands(ค.ศ.1837-1898) ได้จัดธาตุต่างๆ เป็นตารางธาตุ โดยพยายามเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเป็นแถวตามแนวนอน สมบัติของธาตุจะมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงๆ ของธาตุที่ 8 ตารางธาตุแบบนี้มีข้อจำกัดคือใช้ได้กับ 20 ธาตุแรกเท่านั้น
Dmitri Mendeleev(ค.ศ.1834-1907) ได้เสนอการจัดตารางธาตุออกมาในลักษณะคล้ายๆกัน โดยพบว่าสมบัติต่างๆของธาตุสัมพันธ์กับมวลอะตอมของธาตุตาม Periodic Law คือ “ สมบัติของธาตุเป็นไปตามมวลอะตอมของธาตุโดยเปลี่ยนแปลงเป็นช่วงๆ ตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น”
Henry Moseley(ค.ศ.1887-1915) ได้จัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปหามาก ดังนั้นในปัจจุบันPeriodic Law มีความหมายว่า “สมบัติต่างๆ ของธาตุจะขึ้นอยู่กับเลขอะตอมของธาตุนั้นและขึ้นอยู่กับการจัดอิเล็กตรอนของธาตุเหล่านั้น”
ในปีพ.ศ.2456 เฮนรี โมสลีย์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เสนอให้จัดธาตุเรียงตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่างๆของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ตารางธาตุในปัจจุบันจึงได้ปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟแต่เรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก ดังรูป
- กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ
แบ่งเป็น 3 กลุ่ม ได้แแก่ ธาตุโลหะ (นำความร้อนและไฟฟ้าดี) ธาตุกึ่งโลหะ(นำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องไม่ดี) และธาตุอโลหะ (ไม่นำไฟฟ้า ยกเว้น คาร์บอนและฟอสฟอรัสดำ)
- ขนาดไอออน
อะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอนเมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอนออกไปอะตอมจะกลายเป็นไอออน การบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดของอะตอม กล่าวคือ จะบอกเป็นค่ารัศมีไอออนซึ่งพิจารณาจากระยะทางระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งหนึ่งที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก
เมื่อโลหะ ทำปฏิกิริยากับอโลหะอะตอมของโลหะจะเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนจนกลายเป็นไอออนบวก จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลง ทำให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วย หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือแรงดึงดูดระหว่างประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนจากเพิ่มมากขึ้น ไอออนบวกจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออนลบเนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอน ขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิม ไอออนลบจึงมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ดังรูป
- พลังงานไอออไนเซชัน
คือ พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะแก๊ส หรือค่าIE ถ้า IE น้อยแสดงว่าทำให้เป็นไอออนบวกง่าย แต่ถ้า IE มาก จะทำให้เป็นไอออนบวกยาก
- สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน
- อิเล็กโทรเนกาวิตี
2.5 ธาตุแทรนซิชัน
- สมบัติของธาตุแทรนซิชัน
นักเคมีจัดธาตุแทรนซิชันไว้ในกลุ่มของธาตุที่เป็นโลหะ แต่ไม่ได้เป็นกลุ่มเดียวกับธาตุหมู่ IA IIA และ IIIA
เมื่อพิจารณาข้อมูลในตาราง จะเห็นได้ว่าธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 ส่วนใหญ่มีจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 2 และมีจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยที่อยู่ถัดจากระดับพลังงานนอกสุดเข้าไปไม่เท่ากัน เนื่องจากอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายบรรจุอยู่ในระดับพลังงานย่อย 3d เช่น ธาตุ Sc มีจำนวนอิเล็กตรอนใน 3d เป็น 1 ธาตุ Ti ซึ่งอยู่ในลำดับถัดไปมีอิเล็กตรอนใน 3d เป็น 2 และเพิ่มขึ้นจนครบ 10 ในธาตุ Cuการที่มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นในออร์บิทัล 3d ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนวงในที่สามารถกำบังแรงดึงดูดจากนิวเคลียสที่มีต่ออิเล็กตรอนในออร์บิทัล 4s ได้มากแม้ว่าประจุในนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น ขนาด
อะตอมของธาตุแทรนซิชันคาบที่ 4 จากซ้ายไปขวาจะมีขนาดลดลงเล็กน้อยและไม่แตกต่างกันอย่างชัดเจนเหมือนธาตุโพแทสเซียมและแคลเซียม
2.6 ธาตุกัมมันตรังสี
- การเกิดกัมมันตภาพรังสี
- การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตรังสี
การแผ่รังสีบีตา เกิดกับนิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนมากกว่าโปรตอนมาก อิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยจากนิวเคลียสในรูปของรังสีบีตา
การแผ่รังสีแกมมา เกิดกับไอโซโทปกัมมันตรังสีที่มีพลังงานสูงมาก แต่นิวเคลียสที่เกิดใหม่ยังไม่เสถียรเพราะมีพลังงานสูงจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงให้มีพลังงานต่ำลงโดยปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาเป็นรังสีแกมมา
- อันตรายจากไอโซโทปกัมมันตรังสี
- ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตรังสี
- ปฏิกิริยานิวเคลียร์
กระบวนการที่นิวเคลียสของไอโซโทปของธาตุบางชนิด แตกออกเป็นไอโซโทปของธาตุที่เบากว่า เรียกว่า ฟิชชัน ในกรณีที่นิวเคลียสของธาตุเบา 2 ชนิดหลอมรวมกันเกิดเป็นนิวเคลียสใหม่ที่มีมวลสูงกว่า เดิมและให้พลังงานปริมาณมาก ปฏิกิริยานี้เรียกว่า ฟิวชัน ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เป็นปฏิกิริยากับที่เกิดบนดวงอาทิตย์ การเกิดฟิวชันจะต้องใช้พลังงานเริ่มต้นสูงมากและเอาชนะแรงผลักระหว่างนิวเคลียสที่จะเข้าร่วมกันซึ่งประมาณว่าจะต้องมีอุณหภูมิสูงถึงหลายล้านองศาเซลเซียส
- เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการใช้สารกัมมันตรังสี
-ด้านการแพทย์ ใช้เพื่อศึกษาความผิดปกติของอวัยวะต่างๆ ในร่างกาย โดยให้คนไข้รับประทานอาหารหรือยาที่มีไอโซโทปกัมมันตรังสีจำนวนเล็กน้อย จากนั้นใช้เครื่องมือตรวจสอบรังสีเพื่อติดตามดูผลการดูดซึมไอโซโทปกัมมันตรังสีของระบบอวัยวะต่างๆ
-ด้านเกษตรกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีในการติดตามระยะเวลาของการหมุนเวียนแร่ธาตุในพืช
-ด้านอุตสาหกรรม ใช้ไอโซโทปกัมมันตรังสีกับงานหลายอย่าง เช่น ใช้ตรวจหารอยตำหนิในโลหะหรือรอยรั่วของท่อขนส่งของเหลว
-การเก็บถนอมอาหาร ใช้โคบอลต์ -60 ซึ่งจะให้รังสีแกมมาที่ไม่มีผลตกค้างและรังสีจะทำลายแบคทีเรียจึงช่วยเก็บรักษาอาหารไว้ได้นานหลายวัน
ที่มา:หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ เคมี เล่ม1 โดยสสวท.
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น