วิทยาศาสตร์พื้นฐาน 3 สารและสมบัติของสาร ว 30103 มัธยมศึกษาปีที่ 5

โครงสร้างรายวิชา 1. โครงสร้างอะตอม......................................................4 % 2. ตารางธาตุ.................................................................12 % 3. พันธะเคมี..................................................................8 % 4. ปฏิกิริยาเคมีที่พบในชีวิตประจำวัน...........................6 % สอบกลางภาค 20 %

5. อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี.................................................8 % 6. ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม...................................................... 8 % 7. พันธะเคมี........................................................................8 % 8. สารชีวโมเลกุล.................................................................6 % สอบปลายภาค 20 %

หน่วยที่ 1 โครงสร้างอะตอม อะตอมและโครงสร้างอะตอม  อนุภาคมูลฐานของอะตอม  สัญลักษณ์นิวเคลียร์  การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

โครงสร้างอะตอม

อะตอม ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าจึงต้องสร้าง แบบจำลองอะตอม “ส่วนที่เล็กที่สุดของธาตุที่สามารถทำปฏิกิริยาเคมีได้” ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าจึงต้องสร้าง แบบจำลองอะตอม

จุดเริ่มต้นของการอธิบายเกี่ยวกับอะตอม นักปราชญ์ชาวกรีกเชื่อว่าถ้าแบ่งสารให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ในที่สุดจะได้หน่วยย่อย ซึ่งไม่สามารถแบ่งให้เล็กลงได้อีก และเรียกหน่วยย่อยนี้ว่า อะตอม แบบจำลองอะตอม คือ มโนภาพที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นเพื่ออธิบายลักษณะของอะตอม ที่ได้จากการแปลข้อมูลที่ได้จากการทดลอง และนำมาสร้างเป็นมโนภาพหรือแบบจำลอง

แบบจำลองอะตอมที่สำคัญ 1. John Dalton 1. สารประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็ก เรียกว่า อะตอม ซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกได้ และทำให้เกิดใหม่หรือสูญหายไม่ได้ 2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมมีสมบัติเหมือนกันทั้งสมบัติทางกายภาพและสมบัติทางเคมี  และแตกต่างจากอะตอมของธาตุชนิดอื่น   

2. Thomson “อะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุลบเรียกว่าอิเล็กตรอน และอนุภาคที่มีประจุบวกเรียกว่า โปรตอน อะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้ามีประจุบวกเท่ากับประจุลบ” ทดลองโดยศึกษาปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในหลอดรังสีแคโทด

การทดลอง ก๊าซสามารถนำไฟฟ้าภายใต้ความต่างศักย์สูงโดยใช้หลอดแก้วสุญญากาศ ซึ่งมีความต่างศักย์  10,000  โวลต์ ขั้วไฟฟ้าที่ต่อกับขั้วบวก เรียกว่า แอโนด และขั้วลบ เรียกว่า แคโทด  เมื่อผ่านไฟฟ้าเข้าไปในหลอดพบว่า เกิดลำแสงพุ่งจากแคโทด ไปยังแอโนด เรียกลำแสงนี้ว่า  รังสีแคโทด

อะตอมของโลหะที่ขั้วแคโทดเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์สูงจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากอะตอม  อิเล็กตรอนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ภายในหลอด  ถ้าเคลื่อนที่ชนอะตอมของแก๊สจะทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมของแก๊สหลุดออกจากอะตอม  อิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดและจากแก๊สซึ่งเป็นประจุลบจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วแอโนดเสมอ

สรุปเกี่ยวกับสมบัติของรังสีแคโทดดังนี้ 1 สรุปเกี่ยวกับสมบัติของรังสีแคโทดดังนี้     1.  รังสีแคโทดเดินทางเป็นเส้นตรง     2.  มีประจุลบ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก     3.  มีค่าประจุต่อมวลคงที่ 1.76  x  108 คูลอมบ์ต่อกรัม ไม่ว่าจะใช้โลหะชนิดใดเป็นขั้วไฟฟ้าหรือก๊าซที่ใช้บรรจุในหลอดรังสีแคโทดก็ตาม  ดังนั้นจึงสรุปว่า อนุภาคในรังสีแคโทดเป็นอนุภาคมูลฐานของอะตอมและมีประจุลบ ต่อมาเรียกว่า อนุภาคอิเล็กตรอน

3. Rutherford “อะตอมประกอบด้วยโปรตอน รวมกันอยู่ตรงกลางอะตอม ซึ่งมีขนาดเล็กมากและมีประจุบวก ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อยมาก จะวิ่งอยู่รอบ ๆ โปรตอนหรือนิวเคลียส ” ทดลองโดยศึกษาปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นโดยการยิงอนุภาคไปยังแผ่นทองคำ

“ถ้าอะตอมมีโครงสร้างตามแบบจำลองของทอมสัน  เมื่อยิงอนุภาคแอลฟาซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเข้าไปในอะตอม  แอลฟาทุกอนุภาคจะทะลุผ่านเป็นเส้นตรงทั้งหมดเนื่องจากอะตอมมีความหนาแน่นสม่ำเสมอเหมือนกันหมดทั้งอะตอม”

4. Chadwick “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลางอะตอม มีอิเล็กตรอนที่มีจำนวนเท่ากับโปรตอนวิ่งอยู่รอบ ๆ นิวเคลียส”

นิวตรอนมีมวลใกล้เคียงโปรตอนและเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงไม่เบี่ยงเบนในหลอดรังสีแคโทด เขาได้พิจารณาจากแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด พบว่ามวลรวมของอะตอมน่าจะมีค่าเท่ากับมวลรวมของโปรตอนได้เลย เพราะว่าอิเล็กตรอนมีมวลน้อยมาก แต่จากการพิจารณามวลอะตอมของธาตุบางธาตุกลับมีมวลเป็นสองเท่าหรือมากกว่าสองเท่า เช่น ฮีเลียมมี 2 โปรตอนและ 2 อิเล็กตรอน น่าจะมีมวลอะตอม 2 หน่วย แต่กลับมี 4 หน่วย เขาจึงคิดว่าน่าจะมีอนุภาคอื่นนอกจากโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งอนุภาคนี้ทำให้มวลอะตอมเพิ่มขึ้น

“อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลางอะตอม มีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่ในวงโคจรรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นวงกลมมีลักษณะเป็นชั้น ๆ หรือระดับพลังงานที่มีค่าเฉพาะค่าหนึ่ง” 5. Niels Bohr

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบ ๆ นิวเคลียสเป็นวงคล้ายกับวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว และเรียกระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุด ซึ่งมีระดับพลังงานต่ำที่สุด เรียกว่า ระดับพลังงาน K และเรียกระดับพลังงานถัดออกมาว่า ระดับพลังงาน L,M,N,…      ตามลำดับ ทดลองโดยศึกษาการเกิดสเปกตรัมของก๊าซไฮโดรเจน

บรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ           การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง ๆ

6. Heisenberg “อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน เคลื่อนที่รอบนิวเคลียส โดยบริเวณกลุ่มหมากทึบ แสดงว่ามีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณกลุ่มหมอกจาง” เราไม่สามารถระบุตำแหน่งของอิเล็กตรอนได้ ถ้าเราอยากรู้ว่าอิเล็กตรอนอยู่ที่ไหนอย่างแน่นอน เราต้องเห็นอิเล็กตรอนอย่างชัดเจน ถ้าเราต้องการเห็นอะไรอย่างชัดเจน เราก็ต้องให้แสงสว่างไปที่อิเล็กตรอน ปรากฎว่าเมื่อให้แสงสว่างแล้วอิเล็กตรอนก็เปลี่ยนตำแหน่งไปอีก เราก็ต้องให้แสงสว่างอีกครั้งเพื่อจะหาตำแหน่งใหม่ของอิเล็กตรอน ยกตัวอย่างในเชิงเปรียบเทียบ ให้ผึ้งแทนอิเล็กตรอน และแสงไฟเป็นแสงสว่าง

อนุภาคมูลฐานของอะตอม นิวเคลียสประกอบด้วย โปรตอน (p+) และ นิวตรอน (n) อิเล็กตรอน (e-) อะตอมทุกธาตุประกอบด้วยโปรตรอน (p+) นิวตรอน (n) และอิเล็กตรอน (e-) ยกเว้นไฮโดรเจน มี 1 โปรตรอน และ 1 อิเล็กตรอนไม่มีนิวตรอน

โปรตอนกับนิวตรอน ก็ยังประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กลงไปอีก เรียกว่า Quarkปัจจุบัน เชื่อกันว่าวัตถุประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 2 อย่าง คือ Quark Lepton ซึ่งอิเล็กตรอน ก็เป็น Lepton ชนิดหนึ่ง

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ = AZX X คือ สัญลักษณ์ของธาตุ “สัญลักษณ์ของธาตุที่เขียนแสดงรายละเอียดเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานของอะตอม” สัญลักษณ์นิวเคลียร์ = AZX X คือ สัญลักษณ์ของธาตุ A คือ เลขมวล Z คือ เลขอะตอม

Atomic number (Z) Atomic mass Or Mass number (A)

เลขอะตอม (Atomic number, Z) “ตัวเลขที่แสดงจำนวนโปรตรอน (p+) ทั้งหมดในธาตุ 1 อะตอม โดยในอะตอมที่เป็นกลางมีจำนวนโปรตรอนเท่ากับอิเล็กตรอน (e-)” เลขมวล (Mass number, A) “ตัวเลขที่แสดงผลบวกของจำนวนโปรตรอน (p+) และจำนวนนิวตรอน (n) ซึ่งอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมหนึ่ง ๆ” Atomic number เลขมวล = เลขอะตอม + จำนวนนิวตรอน A = Z + n Mass number

ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันที่มีโปรตอนเท่ากัน (หรืออิเล็กตรอนเท่ากัน ) แต่มีเลขมวลและจำนวนนิวตรอนต่างกัน (หรือมีมวลต่างกัน) เช่น 12C, 13C และ 14C เป็นไอโซโทปกัน (เลขอะตอม C = 6 ) ไอโซโทปของธาตุบางชนิดอาจจะมีชื่อเรียกโดยเฉพาะ เช่น ธาตุไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป และมีชื่อเฉพาะดังนี้ 11H เรียกว่า โปรเตรียม ใช้สัญลักษณ์ H  21H เรียกว่า ดิวทีเรียม ใช้สัญลักษณ์ D  31H เรียกว่า ตริเตรียม ใช้สัญลักษณ์ T

ไอโซโทน (Isotone) หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน แต่มีเลขมวลและเลขอะตอมไม่เท่ากัน เช่น 188O 199F เป็นไอโซโทนกัน มีนิวตรอนเท่ากันคือ n = 10 ไอโซบาร์ (Isobar) หมายถึง ธาตุต่างชนิดกันที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีมวลอะตอมและจำนวนนิวตรอนไม่เท่ากัน เช่น 3015P กับ 3014Si มีเลขมวลเท่ากันคือ 30

ไอออนของธาตุ “อนุภาคของธาตุที่มีประจุไฟฟ้า เนื่องจากมีจำนวนอิเล็กตรอนไม่เท่ากับจำนวนโปรตรอน” ไอออนลบ (Anion) Cl- (p+ = 17, e- = 18) ไอออนบวก (Cation) Na+ (p+ = 11, e- = 10)

กิจกรรม สรุป พร้อมอธิบายแบบอะตอมของแต่ละแบบตามที่ได้เรียนรู้มา 1) แบบจำลองอะตอมของดอลตัน 2) แบบจำลองอะตอมของทอมสัน 3) แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด 4) แบบจำลองอะตอมของโบร์ 5) แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

ชื่อธาตุ สัญลักษณ์ เลขอะตอม อนุภาคมูลฐาน โปรตอน อิเล็กตรอน นิวตรอน โบรอน อะลูมิเนียม ไนโตรเจน ออกซิเจน ไฮโดรเจน คลอรีน ฮีเลียม ฟลูออรีน

แบบทดสอบ