เคมี

 บทที่ 2 อะตอมและสมบัติของธาตุ

2.1 แบบจำลองอะตอม

แบบจำลองอะตอมของดอลตัน

 

1.แบบจำลองของดอลตัน  

อะตอมมีลักษณะทรงกลม และเป็นอนุภาคที่มีขนาดเล็กที่สุด ซึ่งแบ่งแยกไม่ได้

    และไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่หรือทำให้สูญหายไปได้

 

      จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เป็นนักเคมีคนแรกที่เสนอแนวคิดเกี่ยวกับ

อะตอม ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้ ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ หลายอนุภาค อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า อะตอม ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายหรือสร้างขึ้นใหม่ไม่ได้อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันย่อมมีสมบัติเหมือนกัน มีมวลเท่าๆ กัน แต่มีสมบัติแตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น ๆ  สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่า 1 ชนิด ทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวอย่างง่าย

2. แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

- ค้นพบอิเล็กตรอน ที่ มีประจุไฟฟ้าลบ มีมวลประมาณ1/2000 ของมวลของ H

- โดยศึกษาพฤติกรรมของ หลอดรังสีแคโทด ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

 3. แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

การกระเจิง (scattering) ของอนุภาค a โดยแผ่นทองคำบางๆรัทเทอร์ฟอร์ดพบว่ารังสีส่วนใหญ่ไม่เบี่ยงเบน และส่วนน้อยที่เบี่ยงเบนนั้น ทำมุมเบี่ยงเบนใหญ่มาก บางส่วนยังเบี่ยงเบนกลับทิศทางเดิมด้วย จำนวนรังสีที่เบี่ยงเบนจะมากขึ้นถ้าความหนาแน่นของแผ่นโลหะเพิ่มขึ้น

4. แบบจำลองอะตอมของนีลส์โบร์

นักวิทยาศาสตร์จึงมีการศึกษาข้อมูลใหม่มาสร้างแบบจำลองที่เน้นรายละเอียดเกี่ยวกับการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียส โดยศึกษาจากสเปกตรัมและค่าพลังงานไอออไนเซชัน

5.แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

แบบจำลองอะตอมของโบร์ ใช้อธิบายเกี่ยวกับเส้นสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนได้ดีแต่ ไม่สามารถอธิบายเส้นสเปกตรัมของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงได้มีการศึกษาเพิ่มเติมจนได้แบบจำลองใหม่ที่เรียกว่าแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

2.2 อนุภาคในอะตอมและไอโซโทป 

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ เลขอะตอม เลขมวล และไอโซโทป
      เลขอะตอม (Atomic number) หมายถึง ตัวเลขที่แสดงถึงผลรวมจำนวนโปรตอนในอะตอมของธาตุ ซึ่งมีค่าเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน บางครั้งใช้สัญลักษณ์ Z
     เลขมวล (Mass number) หมายถึงตัวเลขที่แสดงถึงผลรวมของจำนวนโปรตอนกับนิวตรอน บางครั้งใช้สัญลักษณ์ A
       A = Z + n (จำนวนนิวตรอน)

      เช่น  บอกได้ว่า ธาตุ P มีเลขอะตอม 15 ( โปรตอน = 15, อิเล็กตรอน = 15 )

มีเลขมวล 31 (นิวตรอน = 16)

     เนื่องจากจำนวนนิวตรอน = เลขมวล - เลขอะตอม

      = 31 - 15 = 16

       ดังนั้นจะได้ว่า   ===> P = 15 , e = 15 , n = 16

                                ===> P = 19 , e = 19 , n = 20

       ===> P = 92 , e = 92 , n = 143

       ไอโซโทป (Isotope) หมายถึง อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีเลขอะตอมเท่ากัน แต่มีเลขมวลต่างกัน หรือกล่าวได้อีกอย่างหนึ่งว่า มีโปรตอนเท่ากันแต่มีนิวตรอนต่างกัน เช่น

        H มี 3 ไอโซโทป คือ โปรเตียม    

                                         ดิวทีเรียม    (Heavy water)

                                         ตริเตียม   

       ไอโซบาร์ (Isobar) หมายถึง อะตอมของธาตุที่มีเลขมวลเท่ากันแต่เลขอะตอมต่างกัน หรือกล่าวได้ว่า อะตอมของธาตุที่มีผลรวมของโปรตอนกับนิวตรอนเท่ากัน เช่น
            กับ  เป็นไอโซบาร์กัน

            กับ   เป็นไอโซบาร์กัน

         ไอโซโทน (Isotone) หมายถึงอะตอมของธาตุที่มีผลต่างของเลขมวลกับเลขอะตอมเท่ากันหรือกล่าวได้ว่าอะตอมของธาตุที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน

            กับ   เป็นไอโซโทนกัน (มีนิวตรอน = 20)

             กับ  เป็นไอโซโทนกัน (มีนิวตรอน = 20)

สเปกตรัม

สเปกตรัมเป็นแสงที่ถูกแยกกระจายออกเป็นแถบสีต่าง ๆ และแสงเป็นรูปหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แถบสีต่างๆในแถบสเปคตรัมของแสง

สเปกตรัม	ความยาวคลื่น (nm)
ม่วง น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง	400 - 420 420 - 490 490 - 580 580 - 590 590 - 650 650 - 700

สเปกตรัมของธาตุ

แมกซ์ พลังค์ได้เสนอทฤษฎีควอนตัม (quantum theory) และอธิบายเกี่ยวกับการเปล่งรังสีว่า รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมามีลักษณะเป็นกลุ่มๆ ซึ่งประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ เรียกว่า ควอนตัม (quantum) ขนาดของควอนตัมขึ้นกับความถี่ของรังสี และแต่ละควอนตัมมีพลังงาน (E) โดยที่ E เป็นปฏิภาคโดยตรงกับความถี่ (u) ดังนี้

E=hν

E = พลังงาน 1 ควอนตัมแสง(J)

h = ค่าคงที่ของพลังค์ (6.62x10-34 Js)

ν= ค่าความถี่ ( s-1)

2.3 การจัดเรียงอิเล็กตรอน

__________อิเล็กตรอนในอะตอมที่อยู่ ณ ระดับพลังงาน (energy levels หรือ shell) จะมีพลังงานจำนวนหนึ่ง ส้าหรับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุดจะมีพลังงานน้อยกว่าพวกที่อยู่ไกลออกไป ยิ่งอยู่ไกลมากยิ่งมีพลังงานมากขึ้น โดยกำหนดระดับพลังงานหลักให้เป็น n ซึ่ง n เป็นจ้านวนเต็มคือ 1, 2, … หรือตัวอักษรเรียงกันดังนี้ คือ K, L, M, N, O, P, Q ตามล้าดับ เมื่อ n = 1 จะเป็นระดับพลังงานต่ำสุด หมายความว่า จะต้องใช้พลังงานมากที่สุดที่จะดึงเอาอิเล็กตรอนนั้นออกจากอะตอมได้ จำนวนอิเล็กตรอนที่จะมีได้ในแต่ละระดับพลังงานหลักต้องเท่ากับหรือไม่เกิน 2n2 และจำนวนอิเล็กตรอนในระดับนอกสุดจะต้องไม่เกิน 8 เช่น
____๘ระดับพลังงานที่หนึ่ง n = 1 (shell K) ปริมาณอิเล็กตรอนที่ควรมีอยู่ = 2(1)2 = 2
____๘ระดับพลังงานที่สอง (n = 2) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(2)2 = 8
____๘ระดับพลังงานที่สาม (n = 3) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(3)2 = 18
____๘ระดับพลังงานที่สี่    (n = 4) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(4)2 = 32
____๘ระดับพลังงานที่ห้า  (n = 5) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(5)2 = 50
____๘ระดับพลังงานที่หก  (n = 6) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(6)2 = 72
____๘ระดับพลังงานที่เจ็ด (n = 7) ปริมาณอิเล็กตรอนสูงสุดที่ควรมีได้ = 2(7)2 = 98

_จากการศึกษาพบว่ากรณีของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอนนั้นระดับพลังงานของ 3d จะใกล้กับ 4s มาก และพบว่า ถ้าบรรจุอิเล็กตรอนใน 4s ก่อน 3d พลังงานรวมของอะตอมจะต่ำ และอะตอมจะเสถียรกว่า ดังนั้นในการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลแบบที่เสถียรที่สุด คือการจัดตามระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดก่อนทั้งในระดับพลังงานหลักและย่อย ซึ่งวิธีการจัดอิเล็กตรอนสามารถพิจารณาตามลูกศรในรูปที่ 1.8 โดยเรียงลำดับได้เป็น 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

_1) หลักของเพาลี (Pauli exclusion principle) กล่าวว่า “ไม่มีอิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใดในอะตอมที่มีเลขควอนตัมทั้งสี่เหมือนกันทุกประการ” นั่นคืออิเล็กตรอนคู่หนึ่งในออร์บิทัลจะมีค่า n, ℓ, mℓ เหมือนกันได้ แต่ต่างกันที่สปิน
__________2) หลักของเอาฟ์บาว (Aufbau principle) มีวิธีการดังนี้
____________๘2.1) สัญลักษณ์วงกลม O,  หรือ _ แทน ออร์บิทัล
______________๘๘ลูกศร ↑↓ แทน อิเล็กตรอน 1 ตัว ที่สปิน ขึ้น-ลง
______________๘๘↑↓ เรียกว่า อิเล็กตรอนคู่ (paired electron)
______________๘๘↑  เรียกว่าอิเล็กตรอนเดี่ยว (single electron)
____________๘2.2) บรรจุอิเล็กตรอนเข้าไปในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานต่ำจนครบจำนวนก่อน ดังรูปที่ 1.1
__________3) กฎของฮุนด์ (Hund’s rule) กล่าวว่า “การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน (degenerate orbital) จะบรรจุในลักษณะที่ท้าให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้” ออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานมากกว่า 1 เช่น ออรฺบิทัล p และ d เป็นต้น

4) การบรรจุเต็ม (filled configuration) เป็นการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีระดับพลังงานเท่ากัน แบบเต็ม ครบ 2 ตัว ส่วนการบรรจุครึ่ง (half- filled configuration) เป็นการบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลแบบครึ่งหรือเพียง 1 ตัว เท่านั้น ซึ่งการบรรจุทั้งสองแบบ (ของเวเลนซ์อิเล็กตรอน) จะทำให้มีความเสถียรมากกว่าตัวอย่างการบรรจุเต็ม เช่น

2.4 ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก

 ตารางธาตุ (Periodic table of elements) คือ ตารางที่นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมธาตุต่างๆ ไว้เป็นหมวดหมู่ตามลักษณะ และคุณสมบัติที่เหมือนกัน เพื่อเป็นประโยชน์ในการศึกษาในแต่ละส่วนของตารางธาตุ โดยคาบ ( Period ) เป็นการจัดแถวของธาตุแนวราบ   ส่วนหมู่ ( Group ) เป็นการจัดแถวของธาตุในแนวดิ่ง ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

1. ธาตุหมู่หลัก มีทั้งหมด 8 หมู่ 7 คาบ โดยธาตุที่อยู่ด้านซ้ายของเส้นขั้นบันได จะเป็นโลหะ (Metal) ส่วนทางด้านขวาเป็นอโลหะ (Non metal) ส่วนธาตุที่อยู่ติดกับเส้นขั้นบันไดนั้น จะเป็นกึ่งโลหะ (Metalloid)
2. ธาตุทรานซิชัน มีทั้งหมด 8 หมู่ แต่หมู่ 8 มีทั้งหมด 3 หมู่ย่อย จึงมีธาตุต่างๆ รวม 10 หมู่ และมีทั้งหมด 4 คาบ
   ธาตุอินเนอร์ทรานซิชัน มี 2คาบโดยมีชื่อเฉพาะเรียกคาบแรกว่าคาบแลนทาไนด์
3. (Lanthanide series) และเรียกคาบที่สองว่า คาบแอกทิไนด์ (Actinide series) เพราะเป็นคาบที่อยู่ต่อมาจาก 57La (Lanthanum) และ 89Ac (Actinium) ตามลำดับ คาบละ 14 ตัวรวมเป็น 28 ตัว

 

การจัดเรียงธาตุลงในตารางธาตุ

เมื่อทราบการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุต่างๆ แล้ว จะเห็นว่าสามารถจัดกลุ่มธาตุได้ง่ายขึ้น โดยธาตุที่มีระดับพลังงานเท่ากัน ก็จะถูกจัดอยู่ในคาบเดียวกัน ส่วนธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานนอกสุดเท่ากัน ก็จะถูกจัดอยู่ในหมู่เดียวกัน ดังภาพ

ภาพการจัดเรียงธาตุลงในตารางธาตุ

ประเภทของธาตุในตารางธาตุ

ธาตุโลหะ (metal) โลหะทรานซิชันเป็นต้นฉบับของโลหะ ธาตุโลหะเป็นธาตุที่มีสถานะเป็นของแข็ง ( ยกเว้นปรอท ที่เป็นของเหลว) มีผิวที่มันวาว  นำความร้อน และไฟฟ้าได้ดี  มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง ( ช่วงอุณหภูมิระหว่างจุดหลอมเหลวกับจุดเดือดจะต่างกันมาก)   ได้แก่  โซเดียม (Na)    เหล็ก (Fe) แคลเซียม (Ca) ปรอท (Hg) อะลูมิเนียม (Al) แมกนีเซียม (Mg)   สังกะสี (Zn) ดีบุก (Sn)  เป็นต้น

ธาตุอโลหะ ( Non metal ) มีได้ทั้งสามสถานะ  สมบัติส่วนใหญ่จะตรงข้ามกับอโลหะ  เช่น ผิวไม่มันวาว ไม่นำไฟฟ้า ไม่นำความร้อน จุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ  เป็นต้น   ได้แก่  คาร์บอน( C ) ฟอสฟอรัส (P) กำมะถัน (S) โบรมีน (Br)   ออกซิเจน (O 2)   คลอรีน (Cl 2) ฟลูออรีน (F 2) เป็นต้น

ธาตุกึ่งโลหะ (metalloid)  เป็นธาตุกึ่งตัวนำ  คือ  มันจะสามารถนำไฟฟ้าได้เฉพาะในภาวะหนึ่งเท่านั้น  ธาตุกึ่งโลหะเหล่านี้จะอยู่บริเวณเส้นขั้นบันได ได้แก่  โบรอน (B) ซิลิคอน ( Si) เป็นต้น

ธาตุกัมมันตรังสี เป็นธาตุที่มีส่วนประกอบของ นิวตรอน กับโปรตอน ไม่เหมาะสม (>1.5) ธาตุที่ 83ขึ้นไปเป็นธาตุกัมมันตภาพรังสีทุกไอโซโทปมีครึ่งชีวิต

สมบัติของธาตุในแต่ละหมู่

ธาตุหมู่ I A หรือโลหะอัลคาไล (alkaline metal)

   - โลหะอัลคาไล ได้แก่ ลิเทียม โซเดียม โพแทสเซียม รูบิเดียม ซีเซียม และแฟรนเซียม
   - เป็นโลหะอ่อน  ใช้มีดตัดได้
   - เป็นหมู่โลหะมีความว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากที่สุด สามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ จึงต้องเก็บไว้ในน้ำมัน
   -ออกไซด์และไฮดรอกไซด์ของโลหะอัลคาไลละลายน้ำได้สารละลายเบสแก่
   - เมื่อเป็นไอออน  จะมีประจุบวก
   - มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ  มีความหนาแน่นต่ำเมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ
   - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 1

ธาตุหมู่ II A หรือโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ (alkaline earth)

   - โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ได้แก่ เบริลเลียม แมกนีเซียม แคลเซียม สตรอนเชียม แบเรียม เรเดียม
   - มีความว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามาก แต่น้อยกว่าโลหะอัลคาไล
   - ทำปฏิกิริยากับน้ำได้สารละลายเบส สารประกอบโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธพบมากในธรรมชาติ
   - โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธมีความว่องไวแต่ยังน้อยกว่าโลหะอัลคาไล
   - โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 2

ธาตุหมู่ III
  - ธาตุหมู่ III ได้แก่ B Al Ga In Tl
  - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 3

ธาตุหมู่ IV
  - ธาตุหมู่ IV ได้แก่ C Si Ge Sn Pb
  - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 4

ธาตุหมู่ V
  - ธาตุหมู่ V ได้แก่ N P As Sb Bi
  - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 5

ธาตุหมู่ VI
  - ธาตุหมู่ VI ได้แก่ O S Se Te Po
  - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 6

ธาตุหมู่ VII หรือหมู่แฮโลเจน (Halogen group)

   - หมู่ธาตุแฮโลเจน ได้แก่ ฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน ไอโอดีน และแอสทาทีน
   - เป็นหมู่อโลหะที่ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากที่สุด (F ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากที่สุด)
   - เป็นธาตุที่มีพิษทุกธาตุและมีกลิ่นแรง
   - โมเลกุลของธาตุแฮโลเจนประกอบด้วย 2 อะตอม (Cl 2 Br 2 I 2)
   - แฮโลเจนไอออนมีประจุบลบหนึ่ง (F - C - Br - I - At -)

ธาตุหมู่ VIII หรือก๊าซเฉื่อย หรือก๊าซมีตระกูล (Inert gas )

   - ก๊าซมีตระกูล ได้แก่ ฮีเลียม นีออน อาร์กอน คริปทอน ซีนอน และเรดอน
   - มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเต็ม 8 อิเล็กตรอน จึงทำให้เป็นก๊าซที่ไม่ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยา
   - ก๊าซมีตระกูลอยู่เป็นอะตอมเดี่ยว แต่ยกเว้น Kr กับ Xe ที่สามารถสร้างพันธะได้

 

ขนาดอะตอมของธาตุ

หน่วยพิโกเมตร

ขนาดอะตอมของธาตุต่างๆ

ขนาดของอะตอมนั้นถ้าจะพิจารณาถึงปัจจัยต่างๆ ที่ส่งผลกระทบต่อขนาดของอะตอมนั้น อาจแบ่งแยกออกได้เป็นข้อ เรียงตามลำดับความสำคัญได้ดังนี้

1. จำนวนระดับพลังงาน
2. จำนวนโปรตอน
3. จำนวนอิเล็กตรอน

 

ขนาดไอออนของธาตุ

หน่วยพิโกเมตร

สมบัติอื่นๆ ของธาตุ

พลังงานไอโอไนเซชัน (Ionization Energy : IE) หมายถึง พลังงานปริมาณน้อยที่สุด ที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอม ในสถานะก๊าซ เช่น

ธาตุที่มีอิเล็กตรอนมากกว่า 1 ตัว เช่น ธาตุลิเทียม(Li)
                                        Li(g)  Li +(g) + e -                IE 1 = 520 kJ/mol
                                        Li +(g)  Li 2+(g) + e -             IE 2 = 7,394 kJ/mol
                                        Li 2+(g)  Li 3+(g) + e -            IE 3 = 11,815 kJ/mol

จากการสังเกตจากค่าพลังงานไอออไนเซชันจะพบว่า IE 1 คือพลังงานที่ให้แก่อะตอมเพื่อดึงอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุดมีค่าน้อยที่สุด เพราะอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสหลุดออกได้ง่าย

อิเล็กโทรเนกาติวิตี (Electronegativity : EN) หมายถึง ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนในพันธะเข้ามาหาตัวเอง

Na + -------> Cl -

จากภาพจะเห็นว่า อะตอมของ Cl มีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองได้ดีกว่า Na แสดงว่า Cl มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า Na

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน ( Electron Affinity : EA ) คือ พลังงานที่อะตอมในสถานะก๊าซคายออกมาเมื่อได้รับอิเล็กตรอน สมการเป็นดังนี้

F(g) + e -    Li -(g) + พลังงาน EA = -333 kJ/mol

 

  

  

2.5 ธาตุทรานซิซัน

ธาตุแทรนซิชัน  คือ  กลุ่มธาตุที่อยู่ระหว่างหมู่  IIA  กับ  IIIA ซึ่งก็คือธาตุหมู่  B ทั้งหมด  ประกอบด้วยหมู่ IB – VIIIB  รวมทั้ง อินเนอร์แทรนซิชัน  ได้แก่  กลุ่มแลนทาไนด์  และกลุ่มแอกทิไนต์

ธาตุแทรนซิชัน  เป็นธาตุที่ใช้อิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย ในการเกิดพันธะ   ยกเว้นธาตุหมู่  2B  ที่ใช้อิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย  s  ในการเกิดพันธะ

ธาตุแทรนซิชันในคาบที่ 4 ได้แก่  Sc , Ti , V , Cr , Mn , Fe , Co , Ni , Cu , Zn

สารประกอบของธาตุแทรนซิชัน

               ธาตุแทรนซิชันสามารถทำปฏิกิริยาเกิดสารประกอบต่าง ๆ ได้หลายชนิด  เนื่องจากธาตุแทรนซิชันมีค่าเลขออกซิเดชันหลายค่า  และให้สีของสารประกอบแตกต่างกัน  เช่น  MnO₂ มีสีดำ ,KMnO₄  มีสีม่วงแดง  และ  K₂MnO₄  มีสีเขียว

       และโดยทั่วไปธาตุแทรนซิชันสามารถเกิดสารประกอบเชิงซ้อน  และไอออนเชิงซ้อนได้

สารประกอบของธาตุแทรนซิชันแบ่งได้ 2 ประเภท คือ

1.  สารประกอบไอออนิก (ionic compounds)

          ไอออนบวกของโลหะแทรนซิชัน + อโลหะไอออนลบหรือกลุ่มไอออนลบ

     เช่น    CuSO₄    คอปเปอร์ (II) ซัลเฟต

              FeCl₂    ไอร์ออน (II)  คลอไรด์

              Fe₂O₃    ไอร์ออน (III)  ออกไซด์

2.  สารประกอบเชิงซ้อน (complex compounds)  คือ สารประกอบที่มีไอออนเชิงซ้อนเป็นองค์ประกอบ   มีลักษณะดังนี้

                   ไอออนเชิงซ้อนบวก + ไอออนลบ

          หรือ    ไอออนบวก  +  ไอออนเชิงซ้อนลบ

          หรือ    ไอออนเชิงซ้อนบวก  + ไอออนเชิงซ้อนลบ

เช่น     KMnO₄    หรือ       K⁺      [MnO₄] ^–    

ไอออนบวก     +    ไอออนเชิงซ้อนลบ    =    สารประกอบเชิงซ้อน  

ไอออนเชิงซ้อน  ประกอบด้วยอะตอมหรือไอออนของโลหะแทรนซิชันทำหน้าที่เป็นธาตุอะตอมกลาง (central atom) โดยมีกลุ่มของไอออนหรือโมเลกุลที่เรียกว่า ลิแกนด์ (ligand) มาล้อมรอบอะตอมกลางด้วยพันธะโคออร์ดิเนตโคเวเลนต์

   O             ^-

Mn

O       O      O

 

สารประกอบเชิงซ้อนของธาตุแทรนซิชัน

          * โลหะแทรนซิชันมีโครงสร้างทางอิเล็กตรอนที่แตกต่างไปจากโลหะหมู่ที่ IA และหมู่ IIA คือสามารถรวมกับไอออน  หรือหมู่ไอออน โมเลกุลหรือสารบางชนิดที่มีอิเล็กตรอนคู่ว่างอยู่ เกิดเป็นสารประกอบโคเวเลนต์ที่เรียกว่า สารประกอบโคออดิเนชันหรือสารประกอบเชิงซ้อน (Complex  Compound)

          สารประกอบเชิงซ้อน  คือ  สารประกอบที่มีไอออนเชิงซ้อนเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย  ส่วนมากเกิดกับ   ธาตุแทรนซิชัน  ไอออนเชิงซ้อน  คือ  สารที่เกิดจากไอออนลบ  (anions)  หรือโมเลกุลที่เป็นกลางไม่มีประจุจำนวนหนึ่ง  หรือมากกว่านั้นมาสร้างพันธะเคมีกับไอออนกลางของโลหะ  เช่น  Cu(NH3)42+, ไอออนเชิงซ้อนมี  2  ชนิดคือ  ไอออนเชิงซ้อนที่เป็นไอออนบวก  และไอออนลบ

 

                                               

 

อะตอมกลางหรือไอออนกลาง (Central  atom  ion)  คือ  อะตอมของธาตุที่อยู่แกนกลางของสารเชิงซ้อน  ส่วนมาก  ได้แก่  โลหะแทรนซิชัน 

ลิแกนด์  คือ  ไอออนหรือโมเลกุลที่ล้อมรอบอะตอมกลางหรือไอออนกลาง  สารพวกนี้เป็นสารที่มีอะตอมของธาตุที่มีอิเล็กตรอนคู่อิสระอยู่  เช่น  F-, Br-, OH-, SCN-, S2-,CO, NH3, H2O  เป็นต้น

พันธะระหว่างลิแกนด์  และโลหะแทรนซิชันที่อยู่กลางในสารเชิงซ้อนเป็นพันธะโคเวเลนต์  และจำนวนลิแกนด์ที่ล้อมรอบโลหะแทรนซิชันที่อยู่กลาง  เรียกว่า  เลขโคออร์ดิเนชัน  และเลขโคออร์ดิเนชันเป็นเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของธาตุแทรนซิชัน  เลขออกซิเดชันของโลหะแทรนซิชัน  และชนิดของลิแกนด์ด้วย

 สรุปได้ว่า

   1. ธาตุแทรนซิชันทุกธาตุเป็นโลหะ มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูงเพราะมีพันธะโลหะ

   2.  ความหนาแน่นมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น

   3.  มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด (valence e^-) เท่ากับ  2  ยกเว้น  Cr  และ  Cu  เท่ากับ  1 

   4.  อิเล็กตรอนถัดจากวงนอกสุดเข้ามาหนึ่งระดับพลังงาน ไม่ครบ  18  ยกเว้น  Cu  และ  Zn 

   5.  มีเลขออกซิเดชันได้มากกว่า 1 ค่า  ยกเว้นหมู่  2B (Zn , Cd) เป็น  +2  ค่าเดียว  และหมู่  3B (Sc) 0  เป็น +3  ค่าเดียว  

2.6 ธาตุกัมมันตรังสี

  

ธาตุกัมมันตรังสี หมายถึง ธาตุที่แผ่รังสีได้ เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไม่เสถียร เป็นธาตุที่มีเลขอะตอม สูงกว่า 82 

กัมมันตภาพรังสี หมายถึง ปรากฏการณ์ที่ธาตุแผ่รังสีได้เองอย่างต่อเนื่อง รังสีที่ได้จากการสลายตัว มี 3 ชนิด คือ รังสีแอลฟา รังสีบีตา และรังสีแกมมา 

การแผ่รังสีจะทําให้เกิดธาตุใหม่ได้หรืออาจเป็นธาตุเดิมแต่จํานวนโปรตอนหรือนิวตรอนอาจไม่เท่ากับธาตุ เดิม และธาตุกัมมันตรังสีแต่ละธาตุ มีระยะเวลาในการสลายตัวแตกต่างกันและแผ่รังสีได้แตกต่างกัน เรียกว่า ครึ่งชีวิตของธาตุ โดยครึ่งชีวิตเป็นสมบัติเฉพาะตัวของแต่ละไอโซโทปและสามารถใช้เปรียบเทียบอัตราการ สลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีแต่ละชนิดได้ตัวอย่างเช่น ไอโอดีน-131 มีครึ่งอายุ 8 วัน เมื่อนํามาเก็บเป็นเวลา 40 วัน จะเหลือพลังงานเพียง 3 % เท่านั้น สารบางตัวมีครึ่งอายุค่อนข้างนาน เช่น โคบอลท์-60 มีครึ่งอายุ 5.2 ปี, ถ้าต้องการให้เหลือพลังงาน 3% ต้องเก็บนานถึง 25 ปีส่วนแร่ซีเซียม-137 มีครึ่งอายุ 30 ปีต้องใช้เวลานานถึง 150 ปีจึงจะเหลือพลังงาน 3%

 สารกัมมันตรังสีบางชนิดมีอยู่แล้วตามธรรมชาติ เช่น แร่เรเดียม-226,ยูเรเนียม-238 ฯลฯ แต่ที่มีใช้ใน วงการแพทย์ปัจจุบันเป็นสารที่มนุษย์ผลิตขึ้น เช่น โคบอลท์-60, ซีเซียม-137, อิริเดียม-192 เป็นต้น 

 1.รังสีเอกซ์ ถูกค้นพบโดย Conrad Röntgen อย่างบังเอิญเมื่อปี ค.ศ. 1895

 2.ยูเรเนียม (Uranium) ค้นพบโดย Becquerel เมื่อปี ค.ศ. 1896 โดยเมื่อเก็บยูเรเนียมไว้กับฟิล์มถ่ายรูป ในที่มิดชิด ฟิล์มจะมีลักษณะ เหมือนถูกแสง จึงสรุปได้ว่าน่าจะมีการแผ่รังสีออกมาจากธาตุยูเรเนียม เขาจึงตั้งชื่อว่า Becquerel Radiation

 3.พอโลเนียม (Polonium) ถูกค้นพบและตั้งชื่อโดย มารี กูรี ตามชื่อบ้านเกิด (โปแลนด์) เมื่อปี ค.ศ. 1898 หลังจากการสกัดเอายูเรเนียมออกจาก Pitchblende หมดแล้ว แต่ยังมีการแผ่รังสีอยู่ สรุปได้ว่ามีธาตุอื่นที่แผ่รังสีได้อีกแฝงอยู่ใน Pitchblende นอกจากนี้ กูรียังได้ตั้งชื่อเรียกธาตุที่แผ่รังสีได้ว่า ธาตุกัมมันตรังสี (Radioactive Element) และเรียกรังสีนี้ว่า กัมมันตภาพรังสี (Radioactivity)

 4.เรเดียม (Radium) ถูกตั้งชื่อไว้เมื่อปี ค.ศ. 1898 หลังจากสกัดเอาพอโลเนียมออกจากพิตช์เบลนด์หมดแล้ว พบว่ายังคงมีการแผ่รังสี จึงสรุปว่ามีธาตุอื่นที่แผ่รังสีได้อีกใน Pitchblende ในที่สุดกูรีก็สามารถสกัดเรเดียมออกมาได้จริง ๆ จำนวน 0.1 กรัม ในปี ค.ศ. 1902

    1.รังสีแอลฟา (สัญลักษณ์: α) คุณสมบัติ เป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม (4 2He) มี p+ และ n อย่างละ 2 อนุภาค ประจุ +2 เลขมวล 4 อำนาจทะลุทะลวงต่ำ เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วลบ

   2.รังสีบีตา (สัญลักษณ์: β) คุณสมบัติ เหมือน e- อำนาจทะลุทะลวงสูงกว่า α 100 เท่า ความเร็วใกล้เสียง เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้าเข้าหาขั้วบวก

  3.รังสีแกมมา (สัญลักษณ์: γ) คุณสมบัติเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากไม่มีประจุและไม่มีมวล อำนาจทะลุทะลวงสูงมาก ไม่เบี่ยงเบนในสนามไฟฟ้า เกิดจากการที่ธาตุแผ่รังสีแอลฟาและแกมมาแล้วยังไม่เสถียร มีพลังงานสูง จึงแผ่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อลดระดับพลังงาน

2.7 การนำธาตุไปใช้ประโยชน์และผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิต

ธาตุโลหะ

ประโยชน์ 

          ทำเป็นเครื่องใช้สอยต่างๆ ชิ้นส่วนของเครื่องจักรกล เครื่องอำนวยความสะดวกต่างๆ โลหะที่พบมากในชีวิตประจำวันได้แก่ เหล็ก อะลูมิเนียม เงิน ทองแดง นิกเกิลโครเมียม ฯลฯ

โทษ 

          โลหะที่เป็นอันตราย มีดังนี้ ปรอท แคดเมียม และตะกั่ว เนื่องจากโลหะเหล่านี้เมื่อเข้าไปในสิ่งมีชีวิต จะไปรบกวนการทำงานของเซลล์โดย ซึ่งเรียกว่า โลหะหนัก

          -ยับยั้งการทำงานของเอนไซม์บางชนิด 

          -แทนที่โลหะสำคัญของ enzymes ทำให้เอนไซม์ทำงานได้น้อยลงหรือไม่ได้เลย

          -และ เปลี่ยนแปลงโครงสร้างของชีวโมเลกุล

ธาตุอโลหะ

ประโยชน์

          1.ใช้ทำผ้าทนไฟ ผ้าเบรก กระเบื้องมุงหลังคาวัสดุกันความร้อน

          2.ใช้ทำเครื่องประดับ ใช้ในอุตสาหกรรม นาฬิกา และการขัดถู

          3.เป็นวัตถุดิบในการผลิตเคมีภัณฑ์ ใช้ในอุตสาหกรรมถลุงแร่ ทำสบู่ สีย้อมปุ๋ย และใช้ฟอกหนัง

          4.ใช้ทำปูนซีเมนต์ ปูนปลาสเตอร์ แผ่นยิปซัมบอร์ด ชอล์ก กระดาษ และปุ๋ย

          5.ใช้ในการทำเครื่องปั้นดินเผา ถ้วยชาม อิฐ กระเบื้อง กระดาษ ยาง และสี

ธาตุกึ่งโลหะ

ประโยชน์ 

          มีประโยชน์มากในการพัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ สามารถนำไปใช้เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กเพื่อเก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์ เครื่องอำนวยความสะดวก และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

              แบบฝึกหัด

 1. อะตอมประกอบไปด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอนในจำนวนที่เท่า ๆ กัน คือ แบบจำลองอะตอมของใคร

ก. ดอลตัน                    ข. ทอมสัน                        ค. รัทเทอร์ฟอร์ด                           ง. โบร์

2. ข้อใดกล่าวถูกต้อง
ก. ธาตุต่างชนิดกันมีมวลต่างกันหรือมีนิวตรอนต่างกันเรียกว่าไอโซโทป
ข. มวลของอะตอม คือ มวลของโปรตอนกับอิเล็กตรอนในนิวเคลียส
ค. มวลของอะตอม คือ มวลของโปรตอนกับนิวตรอนในนิวเคลียส
ง. เลขอะตอมจะบอกถึงจำนวนโปรตอนและจำนวนนิวตรอนในอะตอม

3. อนุภาคข้อใดที่มีมวลใกล้เคียงกัน
ก.โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอน
ข.โปรตอนกับอิเล็กตรอน
ค. นิวครอนกับอิเล็กตรอน
ง. โปรตอนกับนิวตรอน

4. ข้อใดถูกต้องเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
ก. โปรตอนและอิเล็กตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสของอะตอม
ข. นิวเคลียสมีขนาดเล็กมากและมีมวลมาก ภายในประกอบด้วยอนุภาคโปรตอน
ค. นิวเคลียสเป็นกลางทางไฟฟ้าเพราะประจุของโปรตอนกับของอิเล็กตรอนเท่ากัน
ง.อะตอมของธาตุประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนและอิเล็กตรอนกระจัดกระจายอยู่ภายในด้วยจำนวนเท่ากัน

5. เลขอะตอมของธาตุ คือข้อใด
ก. จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุ
ข. จำนวนโปรตอนในอะตอมของธาตุ
ค. จำนวนนิวครอนในอะตอมของธาตุ
ง. จำนวนโปรตอนกับนิวตรอนในอะตอมของธาตุ

6.ข้อใดกลา่วไดถกต้อง

ก.แบบจำลองอะตอมคืิมโนภาพที่สรา้งขึ้น โดยอาศัยข้อมลูจากการทดลองซึ่ง อาจถูก หรือ ผิดก็ได้ 

ข. นักวทิยาศาสตร์ที่เสนอแนวคดิว่าอะตอมไม่เล็กที่สุดแต่ยังมีอิเล็กตรอนที่เล็กกว่าคือ ดอลตัน

ค. เมื่อดูตอมด้วยกลอ้งจลุทรรศน์สนามไอออนกำลังขยาย 750,000 เท่า จะมองเห็นอะตอมได้ช้ัดเจน 

ก. กและข  ข. กและค  ค. กขและ ง  ง. ก เท่านั้น                                                                     

7. เราทราบค่ามวลของอิเล็กตรอนได้จากการทดลองของใคร 

ก. Thomson           ข. Millikan            ค. Rutherford             ง. Thomson และ Millikan  

8.ความแตกต่างระหว่างงแบบจำลองอะตอมของทอมสันและรัทเทอรฟ์อรด์คือข้อใด

 ก. ชนิดของอนุภาคที่อยู่ในอะตอม

 ข. ตำแหน่งของอนุภาคที่อยู่ในอะตอม

 ค. จำนวนอนุภาคที่อยู่ในอะตอม

 ง. ขนาดของอนุภาคที่่อยู่ในอะตอม

9.ผลการทดลองของรัทเทอรฟ์อรด์ในข้อใดที่ไม่ส้อดคล้องกับเเบบจำลองอะตอมของทอมสัน

 ก. อนุภาคแอลฟาผ่านทะลุเเผ่นทองคำมีลักษณะเป็นเส้นตรง

 ข. อนุภาคแอลฟาผ่านทะลุเเผ่นทองคำไปได้ทีการเบี่ยงเบน

ค. อนุภาคแอลฟาวิ่งชนเเผ่นทองคำเเล้วสะส้อนกลับ

ง. อนุภาคแอลฟาบางอนุภาคถูกดูดกลืน

10.ค่า e/m ของไอออนบวกชนิดใดมีค่ามากที่สุด

 ก. Li (A = 7)             ข. Na (A = 24)         ค. K (A = 39)        ง. Ca (A = 40)

กำหนดให้ธาตุ A, B, C และ D มีเลขอะตอมเท่ากับ 55, 38, 35 และ10 ตามลำดับ

11..ธาตุใดมีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 ต่ำที่สุด

ก. A         ข. B         ค. C         ง. D

12.ธาตุ P มีเลขอะตอม 15 มีนิวตรอน 16 จะมีเลขมวล โปรตอน และอิเล็กตรอนเท่าไรตามลำดับ
ก. 31, 15, 15                    ข. 31, 16, 15                    ค. 16, 15, 15                    ง. 15, 31, 16

13.ข้อใดอธิบายความหมายไอโซโทปของธาตุได้ถูกต้อง
ก. ธาตุชนิดเดียวกัน เลขมวลเหมือนกันแต่เลขอะตอมต่างกัน
ข. ธาตุชนิดเดียวกันมีประจุในนิวเคลียสเหมือนกันแต่เลขมวลต่างกัน
ค. ธาตุต่างชนิดกันมีเลขอะตอมเหมือนกันแต่เลขมวลต่างกัน
ง. ธาตุต่างชนิดกันมีประจุในนิวเคลียสเหมือนกันแต่เลขมวลต่างกัน


14.ธาตุโซเดียม (Na) มีเลขอะตอมเท่ากับ 11 จะมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนดังข้อใด
ก. 2, 9                ข. 2, 8, 1                ค. 2, 6, 5                ง. 1, 8, 2

15.ข้อใดบอกความหมายของเลขมวลได้ถูกต้อง
ก. จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม
ข. มวลรวมของนิวตรอนโปรตอน และอิเล็กตรอนในอะตอม
ค. มวลรวมของนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม
ง. มวลรวมของโปรตอน และอิเล็กตรอนในนิวเคลียสของอะตอม


16.ธาตุคลอรีน (CI) มีเลขอะตอม 17 จะอยู่ในคาบและหมู่ละที่เท่าไรของตารางธาตุ
ก. คาบ 3 หมู่ 7                ข. คาบ 7 หมู่ 3                ค. คาบ 2 หมู่ 7                ง. คาบ 3 หมู่ 8


17.ไอออนของธาตุ X มีจำนวนโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนเท่ากับ 9 10 10 ตามลำดับธาตุ X มีสัญลักษณ์เป็นไปตามข้อใด
ก.ธาตุ X มีเลขมวลเท่ากับ 19 และมีเลขอะตอมเท่ากับ 9
ข. X มีเลขมวลเท่ากับ 21 และมีเลขอะตอมเท่ากับ 9
ค.ธาตุ X มีเลขมวลเท่ากับ 21 และมีเลขอะตอมเท่ากับ 11
ง.ธาตุ X มีเลขมวลเท่ากับ 21 และมีเลขอะตอมเท่ากับ

18.สารบริสุทธิ์ของธาตุ X ในข้อที่ 69 มีสูตรโมเลกุลตามข้อใด
ก. F2 ข.Cl2 ค.N2 ง.O2

19.ข้อใดกล่าวไม่ถูกต้องเกี่ยวกับสมบัติของธาตุ X ในข้อที่ 69
ก. สาร X มีสถานะเป็นแก๊ส
ข. ไอออนที่เสถียรของธาตุ X มีประจุเป็น -1
ค. ธาตุ X พบได้ในบางส่วนของร่างกายคน
ง.ธาตุ X กับธาตุ Ca เกิดเป็นสารประกอบที่มีสูตร CaX

20.การจัดเรียงอิเล็กตรอนของไอออน X²⁺ ที่มี 44 โปรตอนเป็นตามข้อใด

ก. [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁵ 4d⁵

ข. [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d²

ค. [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁶

ง. [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁸            

                                                                                       

เฉลย

1. ข            2. ค            3. ง            4. ข            5. ข            6. ง               7. ง            8. ง            9. ค                10. ก

11. ก           12. ก            13.ข           14. ข           15.  ค            16.ก            17.ก              18.ก           19. ง              20. ค