โครงสร้างอะตอม - ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

โครงสรางอะตอม(Atomic Structure)เคมีพื้นฐานสําหรับป 1 ระดับมหาวิทยาลัยโดยรศ. . อินทิทิราหาญพงษพงษพันธ พันธภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตรจุฬาลงกรณกรณมหาวิทยาลัย

Periodic Table of The Elements

ความสัมพันธระหวางจํานวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานจํานวนธาตุในตารางธาตุจํานวนเลขอะตอมของธาตุหมู VIII

จํานวนอิเล็กตรอนที่มีมากสุดใน “n”= 2n 2= 2 x 1 2 = 2= 2 x 2 2 = 8= 2 x 3 2 = 18= 2 x 4 2 = 32= 2 x 5 2 = 50“n” สุดทายมีอิเล็กตรอน < 8 เรียกวา “ Valence electron ”

คาบธาตุจํานวนธาตุในตารางธาตุ= 2 1 2= 8 2 8= 8 3 8= 18 4 18= 18 5 18= 32 6 32

จะไดวาe/n = 2n 2 ธาตุ/คาบ เลขอะตอมหมู VIII ธาตุหมู VIII2 2 2 2 He8 8 (2 + 8) 10 10 Ne8 (10 + 8) 18 18 Ar18 18 (18 + 18) 36 36 Kr18 (36 + 18) 54 54 Xe32 (54 + 32) 86 86 Rn

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุหมู VIII (Inert Gas)2He = 210Ne = 2.818Ar = 2.8.836Kr = 2.8.18.854Xe = 2.8.18.18.886Rn = 2.8.18.32.18.8

ความสัมพันธการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุหมูตาง ๆกับหมู VIIIหมู VIII หมู I Alkaline หมู II Alkaline Earth2 He ( 2 ) 3 Li ( 2.1 ) 4 Be ( 2.2 )10 Ne ( 2.8 ) 11 Na ( 2.8.1 ) Mg ( 2.8.2 )1218 Ar ( 2.8.8 ) 19 K ( 2.8.8.1 ) Ca ( 2.8.8.2 )20

แสดงการบรรจุอิเล็กตรอนใน Orbitalคาบ 1 1H 2Heเรียงอิเล็กตรอน 1 21 21S1S

คาบ 23 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Neจาก10Ne เรียง e - = 2 . 82 2s sอิเล็กตรอนใน Orbital = 1 21 2 23p6

เพราะฉะนั้น10 Ne จัดเรียง e - = 2 . 8= 1s 2 , 2s 2 2p 6หรือ = [ 2 He], 2s 2 2p 6(Shorthand)

10Ne = 2, 8 = 1s 2 2s 2 2p 69F = 2, 7 = 1s 2 2s 2 2p 58O = 2, 6 = 1s 2 2s 2 2p 47N = 2, 5 = 1s 2 2s 2 2p 36C = 2, 4 = 1s 2 2s 2 2p 25B = 2, 3 = 1s 2 2s 2 2p 14Be = 2, 2 = 1s 2 2s 23Li = 2, 1 = 1s 2 2s 1

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมใน Orbital ที่เรียกวา“Electron Configuration” ตองเปนไปตามกฎและหลักดังนี้หลักอัฟบาว (Aufbau Principle) ตองบรรจุอิเล็กตรอนในorbital ของระดับพลังงาน (Energy level) ที่มีคาต่ําสุดกอนหลักกีดกันของพอลลี (Pauli’s Exclusion Principle) มีใจความวา “แตละ orbital มีอิเล็กตรอนไดไมเกินสองและหมุนอยูใน o r b i t a l คนละทางกฎของฮุนด (Hund’s Rule) กลาววาตองบรรจุอิเล็กตรอนทีละหนึ่งตัว ใน orbital ที่มีระดับพลังงานเทากัน

ตัวอยาง1.H มี Z = 1 แสดงวามีอิเล็กตรอน = 1... H มีอิเล็กตรอนคอนฟกุเรชัน = 1S12.ตามหลัก AufbauHe มี Z = 2 แสดงวามีอิเล็กตรอน = 2... H มีอิเล็กตรอนคอนฟกุเรชัน = 1S2( )1S( ) 1Sตามหลัก Pauli

4.Be มี Z = 4 แสดงวามีอิเล็กตรอน = 4... Be มีอิเล็กตรอนคอนฟกุเรชัน = 1S22S21s1s p x p y p z5.B มี Z = 5 แสดงวามีอิเล็กตรอน = 5... B มีอิเล็กตรอนคอนฟกุเรชัน = 1S22S22p 1x1s1s p x p y p z

6.C มี Z = 6 แสดงวามีอิเล็กตรอน = 6... C มีอิเล็กตรอนคอนฟกุเรชัน = 1S22S22p21s1s p x p y p z7.N มี Z = 7 แสดงวามีอิเล็กตรอน = 7... N มีอิเล็กตรอนคอนฟกุเรชัน = 1S22S22p3ตามกฎของ Hund1s1s p x p y p z

Electron configurationใชธาตุหมู VIII เปนหลัก1. การเขียนอิเล็กตรอนที่มากสุดในระดับพลังงาน n ตามสูตรe/n = 2n 2e/1 = 2.1 2 = 2e/2 = 2.2 2 = 8e/3 = 2.3 2 = 18e/4 = 2.4 2 = 32e/5 = 2.5 2 = 50e/n 8 = Valence electron

2. เขียน orbital ตามอิเล็กตรอน / ระดับพลังงานเปน36 Kr = 2 8 18 8s s s sppdp

3. เขียนจํานวนอิเล็กตรอนบน orbital36 Kr = 2 8 18 8s2 s2s2s2p6pd610p6

4. เขียนคาของ ‘n’‘ขางซายของ orbital36 Kr = 2 8 18 81s 2s 3 s 4 s2 2 2 22ppp6 6 6343d10

5. เขียนลูกศรแสดงการบรรจุ e/n36 Kr = 2 8 18 811s 2s 3s 4s232 2 2 22p4573p3d64p6 6 6108

6. Electron configuration ของ Kr คื อ 3636Kr1s 2 , 2s 2 2p 6 , 3s 2 3p 6 , 4s 2 , 3d 10 ,4p 6หรือเขียนสั้น ๆ วา[18Ar] 4s 2 3d 10 4p 6

วิธีการเขียน Electron configuration1. เขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุที่ถาม2. เขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนของกาชเฉื่อยที่มีเลขอะตอม (z) นอยกวาที่ถามดังตัวอยาง5036X = 2 8 18 18 4Kr = 2 8 18 8

3. ดูผลตางของอิเล็กตรอนในระดับที่ 4และเขียน orbital ของอิเล็กตรอนในระดับสุดทาย50X = 2 8 18 18 45s 236 Kr = 2 8 18 8 105p 210 คือ อิเล็กตรอนใน d orbital

4. เขียน Electron configuration ของ 50 X ไดดังนี้50X = 2 8 18 18 436Kr 36 = 2 8 18 8105s 25p 2Electron configuration ของ 50 X คือ[36 Kr] 5s 2 4d 10 5p 2

แผนภาพแสดงระดับพลังงานของ Atomic Orbitals

Principal EnergylevelOrbitals(subshells)Related period (rows)in Periodic TableNumber ofelements in rown = 44p3dRow 4184sn = 33p3sRow 38n = 22p2sRow 28n = 11s}Row 12

Principal EnergylevelOrbitals(subshells)7p6d5f7s6p5d4f6sRelated period (rows)in Periodic Tablen = 7 Row 7n = 6n = 55p4d5sRow 6Row 5Number ofelements in row323218

อะตอมการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมอะตอมAtomic SpectraA Continuous Spectrum

A Line Spectrum( An Emission Spectrum )

The origin of Spectral LineEnergy absorbed = E 2-E 1frequency of light absorbed= ν = (E 2-E 1)/helectronOrbit of energy E 2Orbit of energy E 1electronEnergy emitted = E 2-E 1frequency of light absorbed= ν = (E 2-E 1)/hThe emit energy as light with a frequency given by Planck ’s equationhν = E 2 -E 1

5n = 43n = 2At this level, the electron hasenough energy to escape:the atom is ionisedenergyn = 1The energy level of various values of the quantum number, n

Quantum Theoryเปนทฤษฎีที่ใชอธิบายการบรรจุอิเล็กตรอนมีเลข 4 คาที่สําคัญคือ1. Principle Quantum Number ; n (energy level)n = 1, 2, 3, 4, 5, ……………….2. Angular Quantum Number ; l (shape of elliptical orbital)n = 1, 2, 3, 4, ………………….., nl = 0, 1, 2, 3, …………………., n-1

lชื่อของ orbital0 1 2 3 4 …...s p d f g …...n = 1 l = 0n = 2 l = 0, 1n = 3l = 0, 1, 2

3. Magnetic Quantum Number ; m l(maximum number of orbital forthe different value of l as)One s orbitalthree p orbitalsfive d orbitalseven f orbital

n = 1, 2, 3, 4, . . . . . . . , nl =0, 1, 2, 3, . . . . . . . , n-1m = s s s sp p pd df

4. The Electron Spin Quantum Number ; ssมีสองคาคือ1- และ2+12

แสดงการหา Quantum Numbers ทั้งสี่ของ electronในอะตอม มีดังนี้1 n = 1 l = 0m มีคา 2l + 1 คา = 2 x 0 + 1 = 1 คาคือ m = 0S มี 2 คา คือ 1- และ + 12 2

s เปนคาแสดงทิศทางการการหมุนของอิเล็กตรอนในorbitalอิเล็กตรอนตัวที่ 1 หมุนตามเข็มนาฬิกา (ขวามาซาย)อิเล็กตรอนตัวที่ 2 หมุนทวนเข็มนาฬิกา (ซายมาขวา)เขียนรวมกันเปนดังตารางn l m s จํานวน electron1 0 0 1 + , - 1 22 2

2n = 2 l = 0, 1m มี (2l + 1) คาถา l = 0 (s orbital), m = 0 , s =l = 1 (p orbital) m มี (2 x 1 + 1) = 3 คา คือ+ 1 ,2-12m = -1 0 1s =+-1212+12+12- 1 - 12 2

3n = 3 l = 0, 1,2m มี (2l + 1) คาถา l = 0 (s orbital), m = 0 , s =l = 1 (p orbital) m มี (2 x 1 + 1) = 3 คา คือ+ 1 ,2-12m = -1 0 1s = + 1 2- 12+12+12- 1 - 12 2p x p y p z

ถาl = 2 (d orbital) m มี (2 x 2 + 1) = 5 คา คือm = -2 -1 0s =+-1212+12+12- 1 - 12 2+-+1 +21212+-1212

ms-2-10+1+2+++++1212121212-----1212121212d x2 -y2d Z2d xyd yZd zx

เขียนรวมกันเปนดังตารางn l m s จํานวน e -00-12+12221-10+1---121212+++1212126

Shapes of atomic orbitals1s2s3sThe Shape of s Orbital

The Shape and Orientation of p Orbital

The Shape and Orientation of d Orbital