Chemistry: บทเรียนเคมีม.4

ตารางธาตุ

ตารางธาตุ (Periodic table) คือ ตารางที่ใช้แสดงรายชื่อธาตุเคมี ซึ่งจัดเรียงบนพื้นฐานของเลขอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส) การจัดเรียงอิเล็กตรอน และสมบัติทางเคมี โดยจะเรียงตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะระบุไว้ในร่วมกับสัญลักษณ์ธาตุเคมี ในกล่องของธาตุนั้น ตารางธาตุมาตรฐานจะมี 18 หมู่และ 7 คาบ และมีคาบพิเศษเพิ่มเติมมาอยู่ด้านล่างของตารางธาตุ

แถวแนวนอนในตารางธาตุจะเรียกว่า คาบ และแถวในแนวตั้งเรียกว่า หมู่ โดยหมู่บางหมู่จะมีชื่อเฉพาะ เช่นแฮโลเจน หรือแก๊สมีตระกูล โดยคำนิยามของตารางธาตุ ตารางธาตุยังมีแนวโน้มของสมบัติของธาตุ เนื่องจากเราสามารถใช้ตารางธาตุบอกความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติของธาตุแต่ละตัว และใช้ทำนายสมบัติของธาตุใหม่ ธาตุที่ยังไม่ถูกค้นพบ หรือธาตุที่สังเคราะห์ขึ้น และด้วยความพิเศษของตารางธาตุ ทำให้มันถูกใช้อย่างกว้างขวางในการศึกษาวิชาเคมีหรือวิทยาศาสตร์สาขาอื่น ๆ

ดมีตรี เมนเดเลเยฟ รู้จักกันในฐานะผู้ที่ตีพิมพ์ตารางธาตุในลักษณะแบบนี้เป็นคนแรก ใน พ.ศ. 2412 เขาจัดตารางธาตุโดยเรียงตามสมบัติทางเคมีของธาตุ และเมนเดเลเยฟยังสามารถทำนายธาตุที่ยังไม่ค้นพบ โดยเขาเชื่อว่ามันจะเติมเต็มช่องว่างในตารางธาตุของเขาได้ การทำนายของเขาส่วนใหญ่ค่อนข้างใกล้เคียงกับสมบัติจริงของธาตุ ตารางธาตุของเขาก็ขยายเพิ่มขึ้นด้วยการค้นพบธาตุใหม่เรื่อย ๆ และก็มีการพัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีที่ใช้อธิบายพฤติกรรมของธาตุเคมีใหม่ ๆ เหล่านั้น

ธาตุทุกตัวนับตั้งแต่มีเลขอะตอมเท่ากับ 1 (ไฮโดรเจน) จนถึง 118 (ออกาเนสซอน) ถูกค้นพบหรือมีการสังเคราะห์ขึ้นมาได้แล้ว ธาตุ 98 ตัวแรกพบได้ในธรรมชาติถึงแม้ว่าบางตัวจะมีปริมาณน้อย และถูกสังเคราะห์ขึ้นก่อนที่จะพบในธรรมชาติก็ตาม ส่วนธาตุที่มีเลขอะตอมเท่ากับ 99 ถึง 118 ถูกสังเคราะห์ขึ้นทั้งสิ้นหรือมีการคาดว่าจะถูกสังเคราะห์ ในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์ พบว่าไอน์สไตเนียมและเฟอร์เมียม สามารถพบในธรรมชาติได้ในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ ที่เมืองโอโคล ประเทศกาบอง แต่ปัจจุบันยังไม่มีการทำเช่นนั้น^[1] การผลิตธาตุที่มีเลขอะตอมสูงกว่านี้กำลังมีการผลิตอย่างรวดเร็วกับคำถามที่ว่าตารางธาตุจะต้องมีการปรับเปลี่ยนรูปแบบเพื่อนรองรับธาตุใหม่ ๆ เหล่านี้หรือไม่

สารละลายและสารประกอบ

สารเนื้อเดียว แบ่งได้ออกเป็น สารบริสุทธิ์ และสารละลาย
สารเนื้อเดียว ก็หมายถึง สารที่มีสมบัติเหมือนกันทุกส่วน
สารบริสุทธิ์ เป็นสารเนื้อเดียว ที่มีองค์ประกอบชนิดเดียวกันทั้งหมด
ได้แก่ ธาตุและสารประกอบนั่นเอง
และคราวนี้ สารประกอบ ก็คือ สารบริสุทธิ์ที่มีองค์ประกอบของธาตุมากกว่า 1 ธาตุขึ้นไป
และมีสัดส่วนของธาตุที่มารวมทางเคมีที่กำหนดโดยมวลแน่นอน
ส่วนสารละลายก็เกิดจากสารบริสุทธิ์มาผสมรวมกันกลายเป็นสารเนื้อเดียว
โดยมีอัตราส่วนการผสมไม่คงที่ นั่นเอง
พูดง่ายๆว่า สารประกอบ เกิดจาก
ธาตุตั้งแต่ 2 ธาตุขึ้นไป มารวมกันด้วยอัตราส่วนโดยมวลคงที่ เช่น เอา ธาตุ H มา 2 อะตอม ทำปฏิกิริยากับ ธาตุ O 1 อะตอม ได้ สารประกอบเป็น H2O
สารละลาย เกิดจาก ธาตุ หรือ สารประกอบ 2 ชนิดขึ้นไป มารวมกัน
ด้วยอัตราส่วนการผสมไม่คงที่
เช่น นำ สารประกอบ H2O (l) ทำปฏิกิริยากับ สารประกอบ NaCl (s)
ได้ สารละลาย เกลือแกง NaCl (aq)
อย่างอากาศก็จัดเป็นสารละลายอย่างหนึ่ง
เพราะประกอบไปด้วย สารประกอบ N2 O2 CO2 ...มารวมกัน เป็นต้น
แต่ถ้าเป็นสารประกอบ จะต้องมีสัดส่วนที่ประกอบกันคงที่แน่นอน
จะเห็นว่า สารละลาย มีได้ทั้ง 3 สถานะ

สมการเคมี

สมการเคมี คือ กลุ่มสัญลักษณ์ที่เขียนแทนปฏิกิริยาเคมี ให้ทราบถึงการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้นในระบบ สมการเคมีประกอบด้วยสัญลักษณ์ แสดงสารตั้งต้น และผลิตภัณฑ์ เงื่อนไขแสดงปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น พร้อมด้วยลูกศรทิศทางแสดงของปฏิกิริยา

สารตั้งต้น ผลิตภัณฑ์

Zn (s) +2HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2(g)

สารที่เขียนทางซ้ายมือของลูกศร เรียกว่า สารตั้งต้น สารที่เขียนทางขวามือของลูกศร เรียกว่า สารผลิตภัณฑ์เครื่องหมาย + หมายถึงทำปฏิกิริยากันเครื่องหมายแสดงการเปลี่ยนแปลงของสารตั้งต้นไปเป็นสารผลิตภัณฑ์

สมการเคมีมี 2 ประเภท คือ

1.สมการโมเลกุล (Molecule equation) เป็นสมการเคมีของปฏิกิริยาที่มารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เป็นรูปอะตอม หรือโมเลกุล เช่น

2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

2.สมการไอออนิก (Ionic equation) เป็นสมการเคมีของปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ อย่างน้อง 1 ชนิดเป็นไอออน เช่น

H+(aq) + OH-(aq) 2H2O(l)

สมการเคมีที่สมบูรณ์ จะต้องมีจำนวนอะตอมของแต่ละธาตุ ทางซ้ายและขวาเท่ากัน เรียกว่า สมดุลเคมีการดุลสมการเคมี

วิธีการดุลสมการเคมีทั่วไป

ระบุว่าสารใดเป็นสารตั้งต้น และสารใดเป็นสารผลิตภัณฑ์

เขียนสูตรเคมีที่ถูกต้องของสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ ซึ่งสูตรเคมีนี้จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง

ดุลสมการโดยหาตัวเลขสัมประสิทธิ์มาเติมข้างหน้าสูตรเคมี เพื่อทำให้อะตอมชนิดเดียวกันทั้งซ้ายและขวาของสมการมีจำนวนเท่ากัน ให้คิดไอออนที่เป็นกลุ่มอะตอมเปรียบเสมือนหนึ่งหน่วย ถ้าไอออนนั้นไม่แตกกลุ่มออกมาในปฏิกิริยา

ตรวจสอบอีกครั้งว่าถูกต้องโดยมีจำนวนอะตอมชนิดเดียวกันเท่ากันทั้งสองข้าง

EX. อะลูมิเนียมซึ่งเป็นโลหะที่ว่องไวต่อปฏิกิริยากับกรด เมื่ออะลูมิเนียมทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริก จะเกิดแก๊สไฮโดรเจนและอะลูมิเนียมซัลเฟต จงเขียนและดุลสมการของปฏิกิริยานี้

วิธีทำ (1) เขียนสูตรสารตั้งต้นและสารผลิตภัณฑ์ Al + H2SO4 —-> H2(g) + Al2(SO4)3

(2) ดุลจำนวนอะตอม Al 2Al + H2SO4 —-> H2(g) + Al2(SO4)3

(3) ดุลจำนวนกลุ่มไอออน SO42- 2Al + 3H2SO4 —-> H2(g) + Al2(SO4)3

(4) ดุลจำนวนอะตอม H 2Al + 3H2SO4 —-> 3H2(g) + Al2(SO4)3

หลักในการเขียนสมการเคมี

ต้องเขียนสูตรเคมีของสารตั้งต้นแต่ละชนิดได้

ต้องทราบว่าในปฏิกิริยาเคมีหนึ่งเกิดสารผลิตภัณฑ์ใดขึ้นบ้าง และเขียนสูตรเคมีของสารผลิตภัณฑ์ได้

เมื่อเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาเคมีได้แล้วให้ทำสมการเคมีให้สมดุลด้วยเสมอ คือทำให้จำนวนอะตอมของธาตุทุกชนิดทางซ้ายเท่ากับทางขวา โดยการเติมตัวเลขข้างหน้าสูตรเคมีของสารนั้นๆ เช่น

N2 + H2 —-> NH3 ไม่ถูกต้อง เพราะสมการนี้ไม่ดุล

N2 + 3H2 —-> 2NH3 ถูกต้อง เพราะสมการนี้ดุลแล้ว

ข้อควรจำ ในสมการเคมีที่ดุลแล้วนี้จะมี จำนวนอะตอม โมลอะตอม และมวลสารตั้งต้นเท่ากับของสารผลิตภัณฑ์เสมอ ส่วนจำนวนโมเลกุลหรือจำนวนโมลโมเลกุล หรือปริมาตรของสารตั้งต้นอาจเท่ากันหรือ ไม่เท่าหรือสารผลิตภัณฑ์ก็ได้(ส่วนใหญ่ไม่เท่ากัน)

ในการเขียนสมการเคมี ถ้าให้สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ควรบอกสถานะของสารแต่ล่ะชนิดด้วยคือถ้าเป็นของแข็ง (solid) ใช้ตัวอักษรย่อว่า “s” ถ้าเป็นของเหลว (liquid) ใช้อักษรย่อว่า “l” เป็นก๊าซ (gas) ใช้อักษรย่อว่า “g” และถ้าเป็นสารละลายในน้ำ (aqueous) ใช้อักษรย่อว่า “aq” เช่น

CaC2(s) + 2H2O(g) —-> Ca(OH)2(aq) + C2H2(g)

7.การเขียนสมการบางครั้งจะแสดงพลังงานขอปฏิกิริยาเคมีด้วยเช่น

2NH3(g) + 93(g) —-> N2(g) + 3H2(g) ปฏิกิริยาดูดพลังงาน = 93 kJ

CH4(g) + 2O2 —-> CO2(g) + 2H2O(l) + 889.5 kJ ปฏิกิริยาคายพลังงาน = 889.5

พิจารณาลักษณะของอะตอมของธาตุในสารตั้งต้นหรือในธาตุของผลิตภัณฑ์แล้ววิเคราะห์ลักษณะของการเปลี่ยนแปลง สูตรของสารตั้งต้นมาเป็นสูตรของผลิตภัณฑ์ อาจจำแนกประเภทของปฎิกิริยาเคมีได้เป็น 3 ประเภท ดังนี้

ปฎิกิริยาการรวมตัว (Combination)

ปฎิกิริยารวมตัวเกิดจากสารโมเลกุลเล็กกว่ารวมกันเป็นโมเลกุลใหญ่ หรือเกิดจากธาตุทำปฎิกิริยากับธาตุได้สารประกอบ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่างที่ 1 แก๊ซ H2 รวมกับแก๊ซ O2 ได้น้ำ (H2O)

2H2(g) + O2(g) —-> 2H2O(l)

ตัวอย่างที่ 2 2Al(s) + 3Cl2(g) —-> 2AlCl3

2.ปฎิกิริยาการแยกสลาย (Decomposition)

ปฎิกิริยาการแยกสลายเกิดจากสารโมเลกุลใหญ่แยกสลายให้สารโมเลกุลเล็กๆ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่างที่ 1 แยกน้ำด้วยกระแสไฟฟ้าให้แก๊ซ O2 และ H2

2H2O(l) —-> 2H2(g) + O2(g)

ตัวอย่างที่ 2 เผาหินปูนด้วยแคลเซียมคาร์บอนเนต (CaCO3) จะได้แคลเซียมออกไซต์ (CaO)

และแก๊สคาร์บอนได้ออกไซต์ (CO2)

เผา

CaCO3(s) —-> CaO(s) + CO2(g)

3.ปฎิกิริยาการแทนที่ (Replacement)

ปฎิกิริยาการแทนที่เป็นปฏิกิริยาที่สารหนึ่งเข้าไปแทนที่สารในอีกสารหนึ่ง

เช่น Zn(s) + CuSO 4 —-> ZnSO 4 + Cu

4.)ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยน มีหลายประเภทเช่น

ปฏิกิริยาตะกอน เป็นปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนชนิดหนื่งที่เมื่อแยกเขียนเป็นสมการไออนิคจะพบว่ามีการตกตะกอนเช่น

Ba(CN)2(aq) + Na2CO3(aq) BaCO3(s) + 2NaCN(aq)

Pb(NO3)2(aq) + 2KI (aq) PbI2(s) + KNO3 (aq)

ปฏิกิริยาสะเทิน (Neutralization Reaction) เป็นปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนประเภทหนึ่ง เกิดกับปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบส ได้เกลือกันน้ำ เช่น

HCl(aq) +NaOH(aq) NaCla(q) + H2O()

ปฏิกิริยาการเกิดแก๊ส (Gas Forming Reaction) เป็นปฏิกิริยาเคมี ที่เกิดผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สสารตั้งต้น มักเป็นปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนระหว่างกรดหรือเบสกับสารเคมีอื่น

ปฏิกิริยารีดอกซ์ (Redox Reaction) เป็นปฏิกิริยาที่มีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนกันหรือเป็นปฏิกิริยาที่มีการเปลี่ยนเลขออกซิเดชันของธาตุทั้งเพิ่มและลดในปฏิกิริยาเดียวกัน

EX ในการสันดาปของเอมิลแอลกอฮอล์(C5H11OH) ดังนี้

2C5H11OH(g) + 15O2(g) 10CO2(g) + 12H2O(g)

ก.จงหาจำนวนโมลของก๊าซออกซิเจนที่ต้องใช้ในการสันดาปกับ 1 โมลของเอมิลแอลกอฮอล์

วิธีทำ ก. 2C5H11OH(g) + 15O2(g) 10CO2(g) + 12H2O(g)

วิธีทำที่ 1 จากสมการ C5H11OH 2 โมล ?O2 =15 โมล

C5H11OH 1 โมล ?O2 = (15 mol?1mol)/2mol 7.5 โมล

วิธีที่ 2 molของC5H11OH/(mol ของ O2) = 2/?(15@)

(1 mol)/(mol O2) = 2/15

โมลของ O2 = 15/2 โมล = 7.5 โมล

ข.จงหามวลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นจากการใช้เอมิลแอลกอฮอล์มากเกินพอ แล้วเกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ 22 กรัม

ข.2C5H11OH(g) + 15O2(g) 10CO2(g) + 12H2O(g)

วิธีทำที่ 1. จากสมการ CO2 10 mol มาจาก O2 =15 mol

CO2 10 ?44 g มาจาก O2 =15?22.4 dm3 STP

CO2 22 g มาจาก O2 = (15?22.4?22g)/(10?44g)= 16.8 dm3

วิธีที่ 2. ให้ O2 มีปริมาตร = x dm 3 STP มีจำนวน x/22.4 mol

CO2 22 g มีจำนวน = 22/44 = 1/2 mol

(mol O2)/(mol CO2 ) = 15/10

x/22.4 = 15/10

1/2 mol

? X = 15/10?1/2?22.4 = 16.8 dm3

ปริมาตรของ O2 ที่ STP = 16.8 dm3

EX นำผลึกโซเดียมฟอสเฟต (Na3PO4 .xH2O) หนัก 3.615 g มาเผามวลสูญหายไป 2.055 g เมื่อเผาแล้วให้เหลือเกลือที่ปราศจากน้ำ จงหาค่า x ในสูตพิมพ์สมการที่นี่รของผลึกนั้ (มวลอะตอมของ H = 1,O = 16,Na = 23,P =31 )

วิธีทำ Na3PO4.xH2 O(s) ?(?? ) Na3PO4(s) + xH2 O(g)

มวลโมเลกุลของ Na3PO4.xH2O = (164 + 18x)

จากสมการ Na3PO4.xH2O 1 mol เผาแล้วเกิด H2O = x mol

Na3PO4.xH2O (164 + 18x) g เผาแล้วเกิด H2O = x ?18 g

Na3PO4.xH2O 3.615 g เผาแล้วเกิด H2O = (18?g?3.615g)/(164+18x)g

มวลของ H2O หนัก = 65.07x/((164+18x)) g

? X = 12.00

EX แร่ชนิดหนึ่งมี ZnS 79.55% นำแร่ชนิดนี้หนัก 445 g ไปทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนจนสมบรูณ์ดังสมการ 2ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2

จงหาของก๊าซ O2ที่ต้องใช้ทั้งหมด และหาปริมาตรของก๊าซ SO2 ที่ STP

(มวลอะตอมของ O = 16, S = 32, Zn = 65.39)

วิธีทำ 2ZnS + 3O2 2Zn(s) + 2SO2

แร่ 100 g มี ZnS = 79.5 g

แร่ 100 g มี ZnS = 79.5 g ?445 g = 353.78 g

100 g

จากสมการ ZnS 2 mol = O2 = 3 mol

ZnS 2 ? 97.39 g = O2 = 3 ?32 g

ZnS 353.78 g = O2 = (3?32g?353.78g)/(2?97.38g) = 174.38 g

?มวลของก๊าซ O2 = 174.38 g

จากสมการ ZnS 2?97.39 g เกิด SO2 = 2?22.4 dm3

ZnS 353.78 g เกิด SO2 = (2?22.4dm3?353.78g)/(2?97.39g)

มวลของก๊าซ SO2 = 81.37 dm3 STPEX

การหมักเป็นกระบวนการทางเคมีอย่างซับซ้อนในการทำไวน์ โยการใช้น้ำตาลหมักให้เปลี่ยนเป็นเอทานอลและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

เริ่มต้นใช้กลูโคส 500.4 g จงหาปริมาตรของเอทานอลที่เกิดขึ้นจากกระบวนการนี้

(ความหนาแน่นของเอทานอล =0.789 g/ml, มวลอะตอมของ H = 1,C = 12, O = 16)

วิธีทำ C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

จากสมการ C6H12O6 1 mol C2H5 OH = 2 mol

C6H12O6 180 g C2H5OH = 2?46 g

C16H12O6 500.4 g C2H5OH = (2?46g?50.4)/180g

180 g

มวลของเอทานอล = 255.79 g

แต่สูตร d = M/V

แทนค่า ; 0.789 g/ml = 255.76g/V

V = 255.76g/(0.789g/ml) = 324.16 ml

ปริมาตรของเอทานอล = 324.16 ml

แบบจำลองอะตอม

แบบจำลองอะตอมของจอร์น ดอลตัน

à¸œà¸¥à¸à¸²à¸£à¸„à¹‰à¸™à¸«à¸²à¸£à¸¹à¸›à¸ à¸²à¸žà¸ªà¸³à¸«à¸£à¸±à¸š à¹à¸šà¸šà¸ˆà¹à¸²à¸¥à¸à¸‡à¸à¸°à¸•à¸à¸¡à¸‚à¸à¸‡à¸”à¸à¸¥à¸•à¸±à¸™

ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803) จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม

เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ ซึ่งสรุปได้ดังนี้

1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้

2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น

3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

จอห์น ดอลตัน ชาวอังกฤษ เสนอทฤษฎีอะตอมของดอลตัน

- อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด แบ่งแยกอีกไม่ได้

- อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน

- อะตอมต้องเกิดจากสารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมตัวกันทางเคมี

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์ค้นพบข้อมูลบางประการที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตันทรกลมตันมีขนาดเล็กที่สุดซึ้งแบ่งแยกอีกไม่ได้

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาและทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซโดยใช้หลอดรังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด

เป็นเครื่องที่ใช่ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าโดยหลอดรังสีแคโทดจะมีความดันต่ำมาก และความต่างศักย์สูงมาก วิลเลียม ครูกส์ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผ่นเป็นขั้วไฟฟ้า โดยต่อขั้วไฟฟ้าลบกับขั้วลบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แคโทด และต่อขั้วไฟฟ้าบวกเข้ากับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แอโนด

การค้นพบอิเล็กตรอน

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ดัดแปลงหลอดรังสีใหม่ ดังรูป

รังสีพุ่งจากด้าแคโทดไปยังด้านแอโนด และจะมีรังสีส่วนหนึ่งทะลุออกไปกระทบกับฉากเรืองแสง

หลังจากนั้นทอมสันได้เพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดดังรูป

ปรากฎว่า รังสีนี้จะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก แสดงว่า รังสีนี้ต้องเป็นประจุลบ แต่ไม่ทราบว่าเกิดจากก๊าซในหลอดรังสีแคโทด หรือเกิดจากขั้วไฟฟ้าทอมสันจึงทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด พบว่า ไม่ว่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอดหรือใช้โลหะใดเป็นแคโทด จะได้ผลการทดลองเหมือนเดิม จึงสรุปได้ว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า "อิเล็กตรอน"

การค้นพบโปรตอน

เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอม จะต้องมีประจุบวกด้วย ออยแกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด ดังรูป

ผลการทดลองของโกสไตน์

เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งฉากเรืองแสง ก. และฉากเรืองแสง ข.

โกลสไตน์ได้อธิบายว่า จุดเรืองแสงที่เกิดขึ้นบนฉากเรืองแสง ก. จะต้องเกิดจากที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทด ไปยังฉากเรืองแสง แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซ หรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่

โกลสไตน์ได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้วปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้และเมื่อทดลองเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วไฟฟ้าหลายๆชนิดแต่ให้ก๊าซในหลอดแก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่า ผลการทดลองได้อัตราส่วนประจุต่อมวลเท่ากันแสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า

สรุปแบบจำลองของทอมสัน

จากผลการทดลอง ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ กระจัดกระจายอย่างสม่ำเสมอในอะตอมอะตอมที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ

โบร์ได้ศึกษาแบบจำลองอะตอมขึ้นมาโดยนำแบบจำลองอะตอมของรัทฟอร์ดมาแก้ไข เขาศึกษาสเปกตรัมการเปล่งแสงของธาตุ โดยบรรจุแก๊สไฮโดรเจนในหลอดปล่อยประจุ จากนั้นให้พลังงานเข้าไป

ผลการทดลอง

อิเล็กตรอนเคลื่อนจากขั้วบวกไปขั้วลบชนกับแก๊สไฮโดรเจน จากนั้นเปล่งแสงออกมาผ่านปริซึมทำให้เราเห็นเป็นเส้นสเปกตรัมสีต่าง ๆ ตกบนฉากรับภาพ
สรุปผลการทดลอง
การเปล่งแสงของธาตุไฮโดรเจน เกิดจากอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงานจากวงโคจรสูงไปสู่วงโคจรต่ำ พร้อมทั้งคายพลังงานในรูปแสงสีต่าง ๆ
สรุปแบบจำลองอะตอมของโบร์
1. อิเลคตรอนจะอยู่กันเป็นชั้น ๆ แต่ละชั้นเรียกว่า “ระดับพลังงาน”

2. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงนอกสุดเรียกว่า เวเลนซ์อิเลคตรอน (Valent electron)จะเป็นอิเลคตรอน
    ที่เกิดปฏิกิริยาต่าง ๆ ได้
3. อิเลคตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานวงในอยู่ใกล้นิวเคลียส จะเสถียรมากเพราะประจุบวกจากนิวเคลียสดึงดูด
    ไว้อย่างดี ส่วนอิเลคตรอนระดับพลังงานวงนอจะไม่เสถียรเพราะนิวเคลียสส่งแรงไปดึงดูดได้น้อยมาก
4. ระดับการพลังงานวงในจะอยู่ห่างกันมาก ส่วนระดับพลังงานวงนอกจะอยู่ชิดกันมาก
5. การเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเลคตรอน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนในระดับถัดกัน อาจเปลี่ยนข้ามระดับ
     พลังงานกันก็ได้

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

จากแบบจำลองอะตอมของโบร์ ไม่สามารถอธิบายสมบัติบางอย่างของธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอนได้จึงมีการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาคการศึกษาเพิ่มเติมและเชื่อว่า อิเล็กตรอนมีสมบัติเป็นได้ทั้ง คลื่นและอนุภาค
สรุปแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกแบบจำลองนี้เชื่อว่า
     1. อิเล็กตรอนไม่ได้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แต่เคลื่อนที่ไปรอบๆนิวเคลียส
         เป็นรูปทรงต่างๆตามระดับพลังงาน
     2. ไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนไ้ด้ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก
         และเคลื่อนที่รวดเร็วตลอดเวลาไปทั่วทั้งอะตอม
     3. อะตอมประกอบด้วยกลุ่มหมอกของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส บริเวณที่มีหมอกทึบ
         แสดงว่ามีโอกาสพบอิเล็กตรอนได้มากกว่าบริเวณที่มีหมอกจาง ดังรูปที่แสดงไว้

Chemistry

วันอังคารที่ 9 ตุลาคม พ.ศ. 2561

บทเรียนเคมีม.4

แบบจำลองอะตอม

แบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น