บทที่ 2: โครงสร้างอะตอมและพันธะเคมี

บทที่ 2: โครงสร้างอะตอมและพันธะเคมี

• วัตถุประสงค์การเรียนรู้
  • อธิบายธรรมชาติของโครงสร้างอะตอมและการจัดตัวของอิเล็กตรอน
  • อธิบายประเภทพันธะปฐมภุณ์ รวมถึงพันธะไอออนิก, โควาเลนซ์ และพันธะโลหะ
  • อธิบายพันธะโควาเลนซ์ของคาร์บอน
  • อธิบายพันธะต่าง ๆ ของธาตุตุ่ยภุมิ (ธาตุในตารางธาตุ) และความแตกต่างระหว่างพนัธะทั้งสองประเภท
  • อธิบายผลกระทบของพันธะต่าง ๆ และความแข็งแรงของแรงต่อสมรรถนะของสัณฐานและวัตถุ (เชิงกลและเชิงไฟฟ้าและวัสดุ)
  • อธิบายพันธะผสมในวัสดุได้

2. โครงสร้างอะตอม (Atom) และอนุภาคย่อย

• อะตอมประกอบด้วย Subatomic particles 3 ชนิด:
  • โปรตอน (p): อยู่ในนิวเคลียส มีประจุ +1
  • นิวตรอน (n): ไม่มีประจุ มีมวลอยู่ในนิวเคลียส
  • อิเล็กตรอน (e): อยู่นอกนิวเคลียส มีประจุ -1
• นิวเคลียสประกอบด้วย โปรตอนและนิวตรอน
• สรุปโครงสร้างพื้นฐาน:
  • นิวเคลียส = โปรตอน + นิวตรอน
  • อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสในระดับพลังงานต่าง ๆ

3. มวลและประจุของอนุภาคในอะตอม

• อนุภาค มวล (กรัม) ประจุ (คูลอมบ์)

  • อิเล็กตรอน: $m<em>e = 9.1095 \times 10^{-28} \ \text{g}, \quad q</em>e = -1.6022 \times 10^{-19} \ \text{C}$
  • โปรตอน: $m<em>p = 1.67252 \times 10^{-24} \ \text{g}, \quad q</em>p = +1.6022 \times 10^{-19} \ \text{C}$
  • นิวตรอน: $m<em>n = 1.67495 \times 10^{-24} \ \text{g}, \quad q</em>n = 0$

• นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ดังนั้น

  • จำนวนโปรตอนคือ Z (Atomic number)
  • จำนวนอิเล็กตรอนในธาตุเท่ากับ Z ในสถานะนิ่ง (หากไม่เป็นไอออน)

4. สัญลักษณ์ธาตุและค่าพื้นฐาน

• สัญลักษณ์ทั่วไปสำหรับธาตุในตารางธาตุประกอบด้วย

  • Z: เลขอะตอม (Atomic number) = จำนวนโปรตอน = จำนวนอิเล็กตรอนในสารที่เป็นกลาง
  • A: เลขมวล (Mass number) = จำนวนโปรตอนรวมกับนิวตรอนในนิวเคลียส
  • N: จำนวนนิวตรอน

• ความสัมพันธ์:

  • N = A - Z
  • Z = P = e (เมื่ออะตอมเป็นกลาง)

• สัญลักษณ์ธาตุในตารางธาตุแบบทั่วไป (XA^Z หรือ ^AZ X)

  • X = สัญลักษณ์ธาตุ, A = จำนวนมวล, Z = เลขอะตอม

• ตัวอย่าง:

  • P (ฟอสฟอรัส): Z = 15, A ≈ 31 (ทำให้ N ≈ 16)
  • Zn (สังกะสี): Z = 30, A ≈ 65.39 (ประมาณ A = 65, N ≈ 35)

5. หน่วยมวลและมวลโมลาร์ (amu, mol)

• หน่วยมวลอะตอม (amu, u)
  • 1 amu = 1.66 × 10^{-24} g
  • 1 atom 1 amu = 1.66 × 10^{-24} g
• Avogadro’s number: $N_A = 6.02 \times 10^{23}$ atoms/mol
• มวลโมลาร์: 1 โมลของธาตุมีมวล (กรัม) เท่ากับเลขมวลของธาตุนั้นในกรัม/โมล
  • ตัวอย่าง: คาร์บอน 12C มีมวล 12 g/mol
• ตัวอย่างคาร์บอน:
  • 1 amu = 1.66 × 10^{-24} g
  • 1 โมลของ 12C มีมวล 12 g

6. มวลของอะตอมกับมวลโมเลกุล

• มวลของ 1 อนุภาค = เลขมวลอะตอม × 1 amu
  • ตัวอย่าง Ag: มวลอะตอมประมาณ 107.9 g/mol; 1 atom mass ≈ 107.9 amu
• สูตรการคำนวณมวลของอะตอมในกรัม:
  • m_{atom} = A \times (1.66 \times 10^{-24}) \ \text{g}
• มวลโมลาร์ของสารประกอบเมื่อ basis 1 mole:
  • มวลรวมของ 100 g Ni-Al-based ตัวอย่าง: Ni 42.04 wt%, Al 57.96 wt%
  • มวลอะตอม Ni = 58.71 g/mol, Al = 26.98 g/mol
  • โมล Ni = 42.04 / 58.71 = 0.72 mol
  • โมล Al = 57.96 / 26.98 = 2.14 mol
  • สัดส่วน Ni:Al ≈ Ni0.72 Al2.14 → โดยเรียงสัดส่วนให้ได้ NiAl_3 (Ni:Al ≈ 1:3 เมื่อเทียบมวลโดยรวม 100 g)

7. ไอโซโทป (Isotope)

• ไอโซโทปคืออะตอมของธาตุเดียวกันที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจ+n ต่างกัน
• ตัวอย่างทั่วไป:
  • 1H (P=1, N=0) มีมวลอะตอม 1.00783 amu (~99.985%)
  • 2H (Deuterium, P=1, N=1) มวล 2.01410 amu (~0.0150%)
  • 3H (Tritium, P=1, N=2) มวล 3.01603 amu (~0.00013%)
  • 12C (P=6, N=6) มวล 12.0000 amu (~98.892%)
  • 13C (P=6, N=7) มวล 13.00336 amu (~1.108%)

8. การจัดตัวอิเล็กตรอนในอะตอม (Electron arrangement)

• อิเล็กตรอนวิ่งรอบนิวเคลียสอยู่ในชั้นพลังงานเรียกว่า shells (K, L, M, N, …)
• ชั้นพลังงานที่ใกล้นิวเคลียสสุด (ชั้น K) มีพลังงานน้อยที่สุด และอิเล็กตรอนในชั้นถัดไปมีพลังงานสูงขึ้นลำดับ
• พลังงานของอิเล็กตรอนลดลงเมื่อดูดพลังงานออกจากระดับพลังงานต่าง ๆ ได้ แต่เมื่อมีการดูดพลังงานจะขึ้นไปสู่อ่านพลังงานสูงขึ้น/
• พลังงานและระดับการจัดเรียงอิเล็กตรอนสอดคล้องกับแนวคิดพลังงานและทฤษฎีควอนตัม

9. พลังควอนตัมและการแผ่รังสี (Planck's quantum theory)

• พลังงานที่อะตอมสามารถปลดปล่อยหรือดูดกลืนได้เป็นค่าหนึ่งเท่านั้น: $E = h \nu$
• ความถี่และความยาวคลื่นสัมพันธ์กับความเร็วแสง: $\nu = \frac{c}{\lambda}$
• ค่าคงที่ของแพลงก์: $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$
• เมื่อรวมกับสเปกตรัมอิเล็กตรอนหรืออะตอม จะมีการเปลี่ยนระดับพลังงาน

10. โมเดล Bohr ของอะตอมไฮโดรเจน

• นีลล์ บอห์รเสนอทฤษฎีอธิบายสเปคตรัมแบบเส้นของอะตอมไฮโดรเจน โดยอิเล็กตรอนเคลื่อนในวงโคจรที่มีพลังงานแน่นอน
• ความสัมพันธ์พื้นฐาน: $E_n = -\frac{13.6}{n^2}\ \text{eV}$
  • n คือควอนตัมเลขยกเว้น (n = 1,2,3,…)
• ความหมาย: พลังงานของอิเล็กตรอนลดลงเมื่ออยู่ในชั้นใกล้นิวเคลียสมากขึ้น (n ต่ำ) และมีพลังงานรวมที่แน่นอน

11. ผังพลังงานอิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจน (Transition energies)

• พลังงานไอออนไนซ์ของอิเล็กตรอนในไฮโดรเจน: พลังงานที่ต้องดูดออกไปจนไม่ถูกยึดติดกับอะตอมอีกต่อไป คือการกระจายออกไปสู่สถานะที่ไม่มี bound state (E∞)

• ตัวอย่างการคำนวณการเปลี่ยนชั้น n=3 → n=2:

  • พลังงานระดับ: $E_2 = -\frac{13.6}{2^2} = -3.4\ \text{eV}$
  • $E_3 = -\frac{13.6}{3^2} = -1.511\ \text{eV}$
  • การเปลี่ยนสถานะ: $\Delta E = E<em>2 - E</em>3 = -3.4 - (-1.511) = -1.889\ \text{eV}$
  • ค่าพลังงานของโฟตอนที่ปล่อยออกมา: $E_\gamma = |\Delta E| = 1.889\ \text{eV}$
  • แปลงเป็นจูล: $E_\gamma = 1.889\ \text{eV} \times 1.6 \times 10^{-19} = 3.024 \times 10^{-19}\ \text{J}$
  • ความถี่ของโฟตอน: $\nu = \frac{E_\gamma}{h} = \frac{3.024 \times 10^{-19}}{6.63 \times 10^{-34}} \approx 4.56 \times 10^{14}\ \text{s}^{-1}$
  • ความยาวคลื่นของโฟตอน: $\lambda = \frac{c}{\nu} \approx \frac{3.00 \times 10^{8}}{4.56 \times 10^{14}} \approx 6.58 \times 10^{-7} \text{ m} = 658 \text{ nm}$

• ความหมาย: เป็นการอธิบายการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนและการคาย/ดูดพลังงานในรูปของโฟตอน

12. ควอนตัมเลขของอิเล็กตรอน (Quantum numbers)

• จำนวนควอนตัมเป็นตัวบอกตำแหน่งและพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม โดยมี 4 ค่า:

  • n: Principle quantum number - ระดับพลังงานหลัก (n = 1,2,3, …)
  • l: Orbital angular momentum (subsidiary quantum number) - ระดับพลังงานย่อย (ค่า l = 0,1,2,…,n-1)
  • ml: Magnetic quantum number - ตำแหน่งของออร์บิทัลใน space, ค่า $m</em>l = -l, -l+1, …, +l$
  • ms: Spin quantum number - การหมุนของอิเล็กตรอน, $m</em>s = +\tfrac{1}{2} \quad \text{หรือ} \quad m_s = -\tfrac{1}{2}$

• ความสัมพันธ์สำคัญ:

  • เมื่อกำหนด n แล้ว l จะอยู่ในช่วง 0 ถึง n-1
  • ค่าสนองของพลังงานระดับย่อยขึ้นกับ l และ n
  • จำนวนออร์บิทัลใน subshell (l) คือ 2l+1; ตัวอย่าง:
  • s-sublevel: l = 0 → 2l+1 = 1 ออรบิทัล
  • p-sublevel: l = 1 → 3 ออรบิทัล
  • d-sublevel: l = 2 → 5 ออรบิทัล
  • f-sublevel: l = 3 → 7 ออรบิทัล

• นวัตกรรม: ในระดับ s, p, d, f มีจำนวนออรบิทัลสูงสุดที่ต่างกันตามค่า 2l+1 และจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดใน subshell คือ 2(2l+1)

13. การจัดตัวอิเล็กตรอนในธาตุต่างๆ (Electron configurations)

• หลักการทั่วไป:
  • อิเล็กตรอนจะเติมลงในชั้นพลังงานที่มีพลังงานต่ำสุดก่อน (aufbau principle)
  • หันไปตามชั้นย่อย s, p, d, f ตามลำดับ
• ตัวอย่างการจัดเรียง e ของธาตุสำคัญ:
  • H: 1s^1
  • He: 1s^2
  • Li: [1s]^2 2s^1 -> 1s^2 2s^1
  • Be: 1s^2 2s^2
  • B: 1s^2 2s^2 2p^1
  • C: 1s^2 2s^2 2p^2
  • N: 1s^2 2s^2 2p^3
  • O: 1s^2 2s^2 2p^4
  • F: 1s^2 2s^2 2p^5
  • Ne: 1s^2 2s^2 2p^6
  • Na: [Ne] 3s^1
  • Mg: [Ne] 3s^2
  • Al: [Ne] 3s^2 3p^1
  • Si: [Ne] 3s^2 3p^2
  • P: [Ne] 3s^2 3p^3
  • S: [Ne] 3s^2 3p^4
  • Cl: [Ne] 3s^2 3p^5
  • Ar: [Ne] 3s^2 3p^6
• หมายเหตุ: ตารางที่ปรากฏในสไลด์มีการจัดเรียงและสัญลักษณ์หลายแบบ แต่หลักการพื้นฐานคือการเติมอิเล็กตรอนเป็นลำดับจากพลังงานต่ำไปสูง

14. เวเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence electrons)

• เวเลนซ์อิเล็กตรอนคือจำนวนอิเล็กตรอนในชั้นพลังงานนอกสุดของธาตุ
• ตัวอย่าง: Ca มีเวเลนซ์ 2 เพราะมีอิเล็กตรอนอยู่ใน 4s^2: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2

15. อิเล็กโทรเนกาติวิตี (Electronegativity)

• เป็นความสามารถของอะตอม/โมเลกุลในการดึงดูดอิเล็กตรอนจากธาตุอื่น
• สเกลทั่วไป:
  • โลหะ: โลหะมักมีค่า EN ต่ำกว่า (ประมาณ 0.9–1.x)
  • อโลหะ: มี EN สูงกว่า (ค่าตั้งแต่ประมาณ 2.x ขึ้นไปถึงกว่า 4)
  • ธาตุในกลุ่ม IA-IIA และ IB-VIIIB มักเป็นโลหะตามธรรมชาติ
  • ธาตุในกลุ่ม IIIA-VIIIA มักเป็นอโลหะ

16. ขนาดของอะตอม (Atomic size)

• อะตอมมีทรงกลมและรัศมีขึ้นกับปัจจัย:
  • ประจุลบมากขึ้น (อิเล็กตรอนมากขึ้น) ทำให้ขยายรัศมีมากขึ้น
  • ประจุบวกมากขึ้น (โปรตอนมากขึ้น) ดึงอิเล็กตรอนเข้ามาใกล้มากขึ้น ทำให้รัศมีเล็กลง
• แนวโน้มทั่วไป:
  • รัศมีเพิ่มขึ้นลงตามแนวตั้ง (down a group)
  • รัศมีลดลงเมื่อเคลื่อนไปทางขวาในแนวขวาง (across a period)

17. สรุปคุณสมบัติของโลหะและอโลหะ (Metal vs Nonmetal)

• โลหะ:
  • มีอิเล็กตรอนวงนอกน้อยกว่าหรือต่ำกว่า 4 ตัว
  • สูญเสียอิเล็กตรอนและก่อตัวเป็นแคตไอออน (cation) มีประจุปวกบวก
  • มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำ
• อโลหะ:
  • มีอิเล็กตรอนวงนอกมากกว่า 4 ตัว
  • ได้รับอิเล็กตรอนและมีประจุลบ (anion) มากกว่ากรณีอื่น
  • มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง

18. พันธะและอนุภาคที่เกี่ยวข้อง (Bonding concepts)

• พันธะหลัก ๆ ที่สำคัญ:
  • พันธะโควาเลนซ์ (covalent): แชร์อิเล็กตรอนระหว่างอะตอม
  • พันธะไอออนิก (ionic): โอนอิเล็กตรอนจากธาตุหนึ่งไปยังอีกธาตุหนึ่ง ทำให้เกิดการยึดติดแบบอิออนิก
  • พันธะโลหะ (metallic): คลัสเตอร์อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อิสระในโครงสร้างโลหะ
• พร้อมอธิบายผลกระทบต่อสมรรถนะเชิงกลและไฟฟ้าของวัสดุ

19. ประเด็นสำคัญที่เชื่อมต่อกับแนวคิดก่อนหน้าและการใช้งานจริง

• ความเข้าใจโครงสร้างอะตอมช่วยให้เข้าใจคุณสมบัติของวัสดุ เช่น ความแข็งแรง, ความนำไฟฟ้า, และการเกิดพันธะระหว่างธาตุในวัสดุผสม
• ความรู้เรื่องอะตอมและอิเล็กตรอนเป็นพื้นฐานสำคัญของเคมีอินทรีย์และไม่อินทรีย์ รวมถึงเคมีของโลหะและสารประกอบ
• แนวคิดค่าพลังงานระดับและการเปลี่ยนแปลงสถานะพลังงานใช้ในการทำนายสเปกตรัมและคุณสมบัติการดูด/ปล่อยพลังงาน

20. สรุปแนวคิดสำคัญ (Quick recap)

• อะตอมประกอบด้วย โปรตอน, นิวตรอน ใน nucleu และอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส

• กรอบของหน่วยละ amu และ mol: 1 amu ≈ 1.66 × 10^{-24} g; 1 mol = 6.02 × 10^{23} อะตอม

• ระดับพลังงานอิเล็กตรอนมีโครงสร้างชั้น (K, L, M, …) และ subshells (s, p, d, f) ที่มีขีดจำกัดอิเล็กตรอน

• ควอนตัมเลข 4 ค่า n, l, ml, ms กำหนดพลังงานและตำแหน่งของอิเล็กตรอน

• การคำนวณพลังงานของโฟตอนจากการเปลี่ยนระดับพลังงานในอะตอมไฮโดรเจนเผยให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างพลังงาน, ความถี่, และความยาวคลื่น

• การจัดเรียงอิเล็กตรอน (Electron configurations) มีรูปแบบทั่วไปที่ปรากฏในธาตุต่าง ๆ และมีผลต่อคุณสมบัติของธาตุ

• เวเลนซ์อิเล็กตรอน, อิเล็กโตรเนกาติวิตี และขนาดอะตอมเป็นตัวชี้วัดสำคัญของพฤติกรรมเคมีกลุ่มธาตุ

• ตัวเลขสำคัญที่ควรจำ

  • $m<em>e = 9.1095 \times 10^{-28} \ \text{g},\quad q</em>e = -1.6022 \times 10^{-19} \ \text{C}$
  • $m<em>p = 1.67252 \times 10^{-24} \ \text{g},\quad q</em>p = +1.6022 \times 10^{-19} \ \text{C}$
  • $m<em>n = 1.67495 \times 10^{-24} \ \text{g},\quad q</em>n = 0$
  • $N_A = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
  • $1\ \text{amu} = 1.66 \times 10^{-24} \ \text{g}$
  • Hydrogen transitions example: $E<em>2 = -\dfrac{13.6}{4}\ \text{eV} = -3.4\ \text{eV}, \quad E</em>3 = -\dfrac{13.6}{9} \ \text{eV} \approx -1.511\ \text{eV}$
  • $\Delta E = 1.889\ \text{eV} \rightarrow E_\gamma = 3.024 \times 10^{-19}\ \text{J}$
  • $\nu = \dfrac{E_\gamma}{h} \approx 4.56 \times 10^{14}\ \text{s}^{-1}, \quad \lambda = \dfrac{c}{\nu} \approx 658\ \text{nm}$