เคมี: การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

ธาตุ	เลขอะตอม	จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน
ธาตุ	เลขอะตอม	n = 1	n = 2	n = 3	n = 4
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2	1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8	1 2 3 4 5 6 7 8

ระดับพลังงานที่ 3(n = 3) มีจำนวนอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเท่าไร

เมื่อพิจารณาข้อมูลในตาราง จะพบว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 1 มีได้มากที่สุด 2 อิเล็กตรอนระดับพลังงานที่   3 นั้น จากการสืบค้นข้อมูลเพิ่มเติมทำให้ทราบว่ามีได้มากที่สุด 18 อิเล็กตรอน นั่นคือ จำนวนอิเล็กตรอนมากที่สุดที่มีได้แต่ละระดับพลังงานจะมีค่าเท่ากับ $\displaystyle 2n^2$ เมื่อ n คือ ตัวเลขแสดงระดับพลังงาน
          นักเรียนคิดว่าธาตุ K และ Ca ซึ่งมีเลขอะตอม 19 และ 20 ตามลำดับ มีจำนวนระดับพลังงานเท่าใด และในแต่ระดับพลังงานมีจำนวนอิเล็กตรอนอยู่เท่าใด
          นักเรียนบางคนอาจคิดว่าการจัดอิเล็กตรอนของธาตุ K และ Ca ควรเป็น K 2 8 9 และ Ca 2 8 10 ทั้งนี้เพราะในระดับพลังงานที่ 3 ควรมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดถึง 18 อิเล็กตรอน แต่จากข้อมูลและประจักษ์พยานหลายอย่างทำให้ทราบว่าการจัดอิเล็กตรอนของสองธาตุนี้เป็นดังนี้ K 2 8 8 1 และ Ca 2 8 8 2 ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่ 3 ของทั้งสองธาตุนี้มีเพียง 8 อิเล็กตรอน และส่วนที่เพิ่มมาอีก 1 หรือ 2 อิเล็กตรอนนั้นเข้าไปอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 ก่อนที่ระดับพลังงานที่ 3 จะมีอิเล็กตรอนครบ 18 ข้อมูลดังกล่าวนี้จะอธิบายได้ว่าอย่างไร
          จากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์โดยอาศัยสมบัติที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอน และใช้ความรู้เกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม เพื่อนำไปอธิบายโคร้างสร้างอะตอม ทำให้ทราบว่าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานหรือวาง (shell) ต่างๆ กัน และในระดับพลังงานเดียวกันยังมีการแบ่งเป็นระดับพลังงานย่อย (sub shell) ต่างๆ ซึ่งกำหนดเป็นตัวอักษร s p d และ f ตามลำดับด้วย ตัวอย่างจำนวนระดับพลังงานย่อยที่เป็นไปได้ในแต่ละระดับพลังงานตั้งแต่ระดับพลังงานที่ 1 - 4 เป็นดังนี้
          ระดับพลังงานที่ 1 (n = 1) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s
          ระดับพลังงานที่ 2 (n = 2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s p
          ระดับพลังงานที่ 3 (n = 3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d
          ระดับพลังงานที่ 4 (n = 4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s p d f
ตัวอย่างระดับพลังงานและระดับพลังงานย่อยของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน แสดงดังรูป

เนื่องจากอิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนซึ่งวัดในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสจึงมีอาณาเขตและรูปร่างใน 3 มิติแตกต่างกัน บริเวณรอบนิวเคลียสซึ่งมีโอกาสสูงที่จะพบอิเล็กตรอนและมีพลังงานเฉพาะนี้เรียกว่า ออร์บิทัล ออร์บิทัลมีชื่อและรูปร่างแตกต่างกัน โดยที่ s ออร์บิทัลมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสเท่ากันทุกทิศทาง ทำให้มองเห็นว่าออร์บิทัลนี้มีรูปร่างเป็นทรงกลมรอบนิวเคลียส p ออร์บิทัลมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน x y และ z จึงเรียกว่า $\displaystyle p_x$ $\displaystyle p_y$ และ $\displaystyle p_z$ ออร์บิทัลตามลำดับออร์บิทัลทั้งสามนี้มีรูปร่างคล้ายดัมเบลล์ มีพลังงานเท่ากันแต่มีทิศทางแตกต่างกัน ส่วน d ออร์บิทัลมีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น โดยสองออร์บิทัลคือ $\displaystyle d_{z^2 }$ และ $\displaystyle d_{x^2 } _{ - y^2 }$ มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน z และแกน x กับแกน y ตามลำดับ ส่วนอีกสามออร์บิทัลคือ $\displaystyle d_{xy} d_{yz} d_{xz}$ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะอยู่ในบริเวณระหว่างแกน x กับ y แกน y กับ z และแกน x กับ z ตามลำดับ รูปร่างออร์บิทัล s p และ d แสดงได้ดังตัวอย่างในรูป

          ในกรณีของอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในระดับพลังงานเดียวกันจะมีพลังงานแตกต่างกันดังแสดงในรูป 1.19 และในแต่ละระดับพลังงานย่อยจะมีจำนวนออร์บิทัลแตกต่างกันดังนี้
          ระดับพลังงานย่อย s มี 1 ออร์บิลทัล
          ระดับพลังงานย่อย p มี 3 ออร์บิลทัล
          ระดับพลังงานย่อย d มี 5 ออร์บิลทัล
          ระดับพลังงานย่อย f มี 7 ออร์บิลทัล
          นักเรียนคิดว่าในแต่ละออร์บิทัลจะมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่าใด จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในออร์บิทัลที่อยู่ในระดับพลังงานย่อย s p d และ f มีค่าเท่าใด ให้พิจารณาจากข้อมูลในตาราง

จากความรู้ที่กล่าวมาแล้ว เมื่อนำมาใช้บรรจุอิเล็กตรอนของอะตอมหนึ่งๆ ลงในออร์บิทัลที่เหมาะสมมีหลักการสำคัญที่ต้องนำมาใช้พิจารณาเพิ่มเติมดังนี้
          1. ใช้หลักการกีดกันของเพาลีที่กล่าวว่า อิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใด ในออร์บิทัลเดียวกันจะต้องมีสมบัติไม่เหมือนกันอย่างน้อยอิเล็กตรอนคู่นั้นต้องมีลักษณะการหมุนรอบตัวเองแตกต่างกัน โดยตัวหนึ่งหมุนตามเข็มนาฬิกาและอีกตัวหนึ่งหมุนทวนเข็มนาฬิกาเพื่อให้ระบุได้ว่าเป็นอิเล็กตรอนตัวใดเมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงาน ระดับพลังงานย่อยและออร์บิทัลเดียวกัน ดังนั้นจึงกำหนดให้บรรจุอิเล็กตรอน ลงในออร์บิทัลได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน ถ้าในที่นี้เขียนแทนออร์บิทัลด้วย   อิเล็กตรอนเขียนแทนด้วยลูกศรอิเล็กตรอนในออร์บิทัลจึงเขียนแสดงได้เป็น      หรือ      โดยหัวลูกศรแสดงทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอน 1 ใน 2 แบบที่เป็นไปได้คือการหมุนตามหรือทวนเข็มนาฬิกาในกรณีมีอิเล็กตรอนอยู่เต็มออร์บิทัล การเขียนที่ยอมรับได้คือ       ถ้าเขียนเป็น    หรือ        จัดว่าไม่สอดคล้องตามหลักการกีดกันของเพาลี
          2. การบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างอยู่ก่อนเสมอ (ตามหลักของเอาฟบาว) คือ 1s 2s 2p 3s.... ตามลำดับ เพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำสุดและอะตอมมีความเสถียรที่สุด ในกรณีที่มีหลายออร์บิทัลและแต่ละออร์บิทัลมีพลังงานเท่ากัน เช่น 2p ออร์บิทัล ซึ่งออร์บิทัลทั้งสามมีพลังงานเท่ากัน ให้บรรจุอิเล็กตรอนในลักษณะที่ทำให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้ (ตามกฎของฮุนด์) เมื่อมีอิเล็กตรอนเหลือจึงบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่เต็มออร์บิทัลนั้น เช่น มี 2 อิเล็กตรอนใน 2p ออร์บิทัล ให้บรรจุอิเล็กตรอนดังนี้     และถ้ามี 4 อิเล็กตรอนใน 2p ออร์บิทัล จะบรรจุอิเล็กตรอนได้เป็น

          3. อะตอมของธาตุที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนเต็มในทุกๆ ออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันเรียกว่า การบรรจุเต็ม ถ้ามีอิเล็กตรอนอยู่เพียงครึ่งเดียวเรียกว่า การบรรจุครึ่ง การบรรจุเต็มหรือการบรรจุครึ่งจะทำให้อะตอมมีความเสถียรกว่าการบรรจุแบบอื่นๆ ตัวอย่างของออร์บิทัลที่บรรจุเต็มและบรรจุครึ่งแสดงได้ดังนี้

          ในกรณีที่อะตอมมีหลายอิเล็กตรอนการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ตามลำดับระดับพลังงานจากต่ำไปสูงอาจใช้แผนภาพดังนี้

          ในกรณีของไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอนเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะพื้นอิเล็กตรอนอาจอยู่ใน 1s ออร์บิทัลซึ่งมีพลังงานต่ำที่สุด จึงเขียนแผนภาพแสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลได้ดังนี้

          เพื่อความสะดวกจึงอาจเขียนสัญลักษณ์แสดงการจัดอิเล็กตรอนในออร์บิทัลได้เป็น $\displaystyle ls^1$ โดยมีความหมายดังนี้

          ฮีเลียนมี 2 อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนทั้งหมดจึงเข้าไปอยู่ใน 1s ออร์บิทัล และบรรจุในลักษณะที่ทำให้อิเล็กตรอนมีทิศทางการหมุนรอบตัวเองแตกต่างกันตามหลักของเพาลีเขียนแผนภาพแสดงได้ดังนี้
        หรือ $\displaystyle ls^2$
          สำหรับธาตุ Li Be B C N    O F และ Ne ซึ่งมีอิเล็กตรอน 3 4 5 6 7 8 9 และ 10 ตามลำดับ เขียนแผนภาพแสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลได้ดังนี้

          อิเล็กตอรนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน ดังนั้นธาตุเบริลเลียมจึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 และฟลูออรีนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 7

การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ตามลำดับระดับพลังงานโดยอาศัยแผนภาพดังที่กล่าวมาแล้ว มีบางธาตุที่การบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่เป็นไปตามหลักการนั้น ตัวอย่างเช่น ธาตุ Cr เลขอะตอม 24 เขียนแผนภาพแสดงการบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ได้ดังนี้
            $\displaystyle ls^2$    $\displaystyle 2s^2$    $\displaystyle 2p^6$    $\displaystyle 3s^2$    $\displaystyle 3p^6$    $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle 3d^5$ ไม่ใช่   $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^4$
หรือ Cu มีเลขอะตอม 29 บรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ได้ดังนี้
            $\displaystyle ls^2$    $\displaystyle 2s^2$    $\displaystyle 2p^6$    $\displaystyle 3s^2$    $\displaystyle 3p^6$    $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle  3d^{10}$ ไม่ใช่   $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^9$
          การที่บรรจุอิเล็กตรอนของธาตุ Cr เป็น $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle 3d^5$    โดยมีอิเล็กตรอนใน 3d ออร์บิทัล 5 อิเล็กตรอนนั้นเป็นการบรรจุครึ่ง ซึ่งทำให้อะตอมเสถียรกว่าการบรรจุแบบ $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^4$ ส่วนธาตุ Cu ซึ่งบรรจุอิเล็กตรอนเป็น $\displaystyle 4s^1$    $\displaystyle  3d^{10}$     จะเสถียรกว่าที่เป็น $\displaystyle 4s^2$    $\displaystyle 3d^9$ เพราะว่า 3d ออร์บิทัลมีจำนวนอิเล็กตรอนเต็มทุกออร์บิทัลคือ 10 อิเล็กตรอนซึ่งเป็นการบรรจุเต็ม

การจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น