เคมี โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ

สรุปเนื้อหา โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ คืออะไร

อะตอม (Atom) เป็นหน่วยพื้นฐานของสสาร ที่ประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 3 ชนิด ได้แก่ โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งข้อสรุปดังกล่าวเกิดจากการที่นักวิทยาศาสตร์ในอดีตได้พยายามศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมอย่างต่อเนื่อง จนเกิดเป็นแนวความคิดและแบบจำลองอะตอมต่าง ๆ มากมายก่อนที่จะนำมาสู่ข้อสรุปเกี่ยวกับอะตอมในปัจจุบัน โดยเรียงตามวิวัฒนาการของการศึกษา ดังนี้

1. ประมาณ 500 ปีก่อนคริตักราช แนวความคิดของ ลูซิพปุส (Leucippus) และดิโมคริตุส (Democritus) มีแนวคิดว่า “อะตอม ใช้สำหรับเรียกอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารที่ไม่สามารถแบ่งแยกต่อไปได้อีก”

2. แบบจำลองอะตอมของดอลตัน กล่าวไว้ว่า “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมตัน ที่ไม่สามารถแบ่งแยก ทำลาย หรือสร้างใหม่ได้” ดังรูป

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ

ซึ่งดอลตันก็ได้อธิบายแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมไว้ 4 ข้อ ได้แก่

  • สสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุด มีลักษณะเป็นทรงกลม ไม่สามารถแบ่งแยกได้อีก
  • อะตอมไม่สามารถสร้างขึ้นใหม่ หรือทำลายได้
  • อะตอมของธาตุชนิดเดียวกัน จะมีคุณสมบัติเหมือนกัน
  • เมื่ออะตอมของธาตุต่างชนิดมารวมตัวกัน จะเกิดเป็นสารประกอบ โดยสารประกอบจะมีอัตราส่วนของธาตุเป็นเลขลงตัวจำนวนน้อยๆ

3. แบบจำลองอะตอมของทอมสัน เกิดจากการศึกษาทดลองกับหลอดรังสีแคโทดของ ของ Sir Joseph John Thomson รวมกับการทดลองของคนอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็น หลอดรังสีแคโทดของ William Crookers, การหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีเม็ดน้ำมันของ Robert Andrews Millikan และการทดลองกับหลอดรังสีแคโทดของ Eugen Goldstrin ซึ่งทำให้ทอมสันเสนอแบบจำลองอะตอมว่า “อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม ประกอบด้วยอนุภาคโปรตรอนที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกระจายอยู่ทั่วไปอย่างสม่ำเสมอ อะตอมในสภาวะเป็นกลางจะมีประจุบวกเท่ากับประจุลบ” นอกจากนี้ยังหาค่า e / m ของ hydrogas หรือ Proton ได้เท่ากับ 9.58 x 104 coulomb/ g แทนค่า e = 1.6 x 10-19 จะได้ค่ามวลของ proton = 1.66 x 10-24 g เมื่อเปรียบเทียบมวลของ proton กับมวลของ electron พบว่ามวลของ proton จะมีค่ามากกว่ามวลของ electron ประมาณ 1800 เท่า

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมของทอมสัน
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

4. แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด เกิดจากการทดลองยิงอนุภาคแอลฟาไปที่แผ่นโลหะทองคําบาง ซึ่งพบว่า อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่สามารถผ่านแผ่นโลหะได้โดยมีการกระเจิงจากแนวการเคลื่อนที่เดิมไปในทิศทางต่างๆ ของอนุภาคน้อยมาก บางอนุภาคกระเจิงจากแนวเดิมเป็นมุมกว้าง และบางอนุภาคสะท้อนกลับในทิศทางเดิม จึงสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ได้ว่า “อะตอมประกอบด้วย แกนกลางที่มีความหนาแน่นของประจุบวกรวมกันอยู่ เรียกว่านิวเคลียส ซึ่งเป็นที่รวมมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบๆ นิวเคลียส โดยมีพื้นที่ส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นที่ว่าง และต่อมา เซอร์เจมส์ แซดวิก ก็ได้ทำการทดลองโดยการยิงอนุภาคแอลฟาไปยังอะตอมของธาตุต่าง ๆ และทดสอบผลการทดลองด้วยเครื่องมือที่มีความเที่ยงตรงสูง ทำให้มั่นใจว่า ในนิวเคลียสมีอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าอยู่จริง และเรียกว่า “นิวตรอน”

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

5. แบบจำลองอะตอมของบอร์ เกิดจากการที่ นีล บอห์ร (Niels Bohr) นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก ได้พยายามหาคำอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด โดยได้พัฒนาแบบจำลองอะตอมมาจากการศึกษาการเกิดสเปกตรัมของแก๊สไฮโดรเจนและสรุปเกี่ยวกับแบบจำลองนี้ได้ว่า “อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเป็นวงคล้ายวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ โดยแต่ละวงจะมีระดับพลังงานเฉพาะตัว ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสที่สุดนั้นมีพลังงานต่ำที่สุดเรียกว่า ระดับ K และถัดออกมาจะเป็นระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น วงโคจรจะมีขนาดใหญ่ขึ้น อยู่ห่างจากนิวเตลียสมากขึ้นเป็น L , M , N , … ตามลำดับ”

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมของบอร์
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมของบอร์

6. แบบจำลองอะตอมกลศาสตร์ควอนตัม (แบบกลุ่มหมอก)

เนื่องจากแบบจำลองอะตอมของบอร์มีข้อจำกัด เพราะใช้ได้กับอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนน้อยๆได้ดี แต่หากเป็นอะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนมาก การโคจรรอบนิวเคลียสของอิเล็กตรอนก็จะมีความซับซ้อนมากขึ้น จึงทำให้นักฟิสิกส์ควอนตัมต่างพยายามสร้างสมการทางคณิตศาสตร์เพื่อคำนวณโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส จนได้แบบจำลองอะตอมขึ้นมา ซึ่งอธิบายได้ว่า “อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสอย่างรวดเร็ว ด้วยรัศมีไม่แน่นอนจึงไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ บอกได้แต่เพียงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนในบริเวณต่าง ๆ ปรากฏการณ์แบบนี้เรียกว่ากลุ่มหมอกของอิเล็กตรอน บริเวณที่มีกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนหนาแน่นจะมีโอกาสพบอิเล็กตรอนมากกว่าบริเวณที่เป็นหมอกจาง” ดังรูป

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมกลศาสตร์ควอนตัม (แบบกลุ่มหมอก)
โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ แบบจำลองอะตอมกลศาสตร์ควอนตัม (แบบกลุ่มหมอก)

 

ตารางธาตุ คืออะไร

ตารางธาตุ (Periodic Table) คือ ตารางแสดงรายชื่อธาตุและสมบัติบางประการของธาตุ ซึ่งจะจัดเรียงตามลขอะตอม (จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส) การจัดเรียงอิเล็กตรอน (electron configuration) และสมบัติของธาตุที่ซ้ำกันหรือคล้ายกันตามหมู่ ดังรูป

ตารางธาตุ
ตารางธาตุ

ตารางธาตุในปัจจุบันมีทั้งหมด 118 ธาตุ โดยแบ่งเป็นธาตุที่พบได้ในธรรมชาติ 98 ธาตุ ส่วนอีก 16 ธาตุตั้งแต่ธาตุที่ 99 (ไอน์สไตเนียม) จนถึงธาตุที่ 118 (ออกาเนสซอน) จะเป็นธาตุที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการทางวิทยาศาสตร์

ธาตุแต่ละตัวจะถูกจัดเรียงจากซ้ายไปขวาและจากบนลงล่างตามเลขอะตอม (Atomic Number) หรือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุ โดยตารางธาตุในปัจจุบันแบ่งธาตุทั้งหมดออกเป็น

  • 18 หมู่ (Group) ตามแนวดิ่ง โดยธาตุที่มีสมบัติคล้ายกันจะถูกจัดจำแนกให้อยู่ในหมู่เดียวกัน จากการจัดเรียงเวเลนซ์อิเล็กตรอน (Valence Electron) หรือมีจำนวนอิเล็กตรอนในวงนอกสุดเท่ากัน และทั้ง 18 หมู่ในตารางธาตุมีสัญลักษณ์เป็นตัวเลขโรมันหรือเลขอารบิก จาก 1 ถึง 18 และตัวอักษร เช่น IA หรือ 1A
  • 7 คาบ (Period) ในแนวนอนเป็นตัวบ่งบอกจำนวนชั้นของอิเล็กตรอน (Electron Shell) โดยจำนวนของอิเล็กตรอนและโปรตอนของธาตุในคาบเดียวกันนี้ จะเพิ่มจำนวนขึ้นทีละหนึ่งชั้น พร้อมทั้งความเป็นโลหะที่ลดลงจากธาตุหมู่ทางด้านซ้ายไปยังด้านขวาของตารางธาตุ ในขณะที่อิเล็กตรอนจะถูกจัดเรียงในชั้นใหม่ เมื่อชั้นเดิมถูกจัดเรียงจนเต็ม ซึ่งคือการเริ่มต้นของคาบใหม่ในตารางธาตุ

นอกจากนี้ในตารางธาตุยังมีการแบ่งกลุ่มตามคุณสมบัติความเป็นโลหะอีกด้วย โดยจะแบ่งได้ 3 กลุ่ม คือ

  • ธาตุโลหะ (Metals) อยู่ทางด้านซ้ายของตารางธาตุ หรือ หมู่ 1A เป็นกลุ่มธาตุที่นำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดี
  • ธาตุกึ่งโลหะ (Metalloids) อยู่บริเวณขั้นบันได โดยจะเป็นกลุ่มธาตุที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมิห้อง แต่จะนำได้ดีขึ้นเมื่อได้รับความร้อนมากขึ้น มีคุณสมบัติของทั้งธาตุในกลุ่มโลหะและธาตุอโลหะ
  • ธาตุอโลหะ (Nonmetals) อยู่ด้านขวาของตารางธาตุ เป็นกลุ่มธาตุที่ไม่นำทั้งไฟฟ้าและความร้อน

สำหรับชื่อและสัญลักษณ์ของธาตุในตารางธาตุนั้น จะประกอบไปด้วยตัวลขมุมซ้ายด้านบน ตัวอักษรตรงกลาง และตัวเลขด้านล่าง ดังนี้

  • ตัวเลขบนมุมซ้ายด้านบน คือ จำนวนโปรตอนภายในอะตอมของธาตุหรือเลขอะตอม (Atomic Number)
  • ตัวอักษรตรงกลาง คือ อักษรย่อของชื่อธาตุ (Abbreviation) ในหลายกรณีสัญลักษณ์ที่มีชื่อภาษาอังกฤษอย่างเช่น ฮีเลียม (Helium) จะใช้ “He” เป็นตัวแทนสัญลักษณ์ของธา
  • ตัวเลขด้านล่าง คือ มวลอะตอม (Atomic Mass) หรือจำนวนโปรตอนและนิวตรอนภายในนิวเคลียสของธาตุนั้นๆ

 

โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ ต้องเรียนระดับชั้นไหน

บทเรียนเรื่องโครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ เป็นเนื้อหาของวิชาเคมี ม.4 ซึ่งจริง ๆ แล้วยังมีหัวข้ออื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องที่ลงรายละเอียดลึกมากขึ้นอีก เช่น การจัดเรียงอิเล็กตรอน เป็นต้น

 

ตัวอย่างข้อสอบ โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ

ข้อสอบ โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
ข้อสอบ โครงสร้างอะตอมและตารางธาตุ
Related Posts