2) การจัดเรียงอิเล็กตรอนเข้าระดับพลังงานย่อย
การจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อย
จากการศึกษาสมบัติที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอน พบว่าอิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานหรือวง (shell) ต่าง ๆ กัน ซึ่งเรียกว่าระดับพลังงานหลัก และในระดับพลังงานเดียวกันยังมีระดับพลังงานย่อย (sub shell) ต่าง ๆ อีก คือระดับพลังงานย่อย s , p , d และ f โดยในแต่ละระดับพลังงานย่อยมีอิเล็กตรอนดังนี้ระดับพลังงานหลักที่ 1 (n=1) มี 1 ระดับพลังงานย่อยคือ s
ระดับพลังงานหลักที่ 2 (n=2) มี 2 ระดับพลังงานย่อยคือ s , p
ระดับพลังงานหลักที่ 3 (n=3) มี 3 ระดับพลังงานย่อยคือ s , p , d
ระดับพลังงานหลักที่ 4 (n=4) มี 4 ระดับพลังงานย่อยคือ s , p , d , f
อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ความหนาแน่นของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนซึ่งวัดออกมาในรูปของโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสจะมีรูปร่างเป็น 3 มิติที่แตกต่างกันซึ่งเรียกว่า ออร์บิทัล
ออร์บิทัล (orbital)
หมายถึงบริเวณที่มีโอกาสสูงที่จะพบอิเล็กตรอน หรือบริเวณที่อยู่ของอิเล็กตรอน ซึ่งมีรูปร่างเป็น 3 มิติแตกต่างกัน ดังนี้
s–orbital มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสเท่ากันทุกทิศทาง ทำให้มองเห็นว่าออร์บิทัลนี้มีรูปร่างเป็นทรงกลมรอบนิวเคลียส
หมายถึงบริเวณที่มีโอกาสสูงที่จะพบอิเล็กตรอน หรือบริเวณที่อยู่ของอิเล็กตรอน ซึ่งมีรูปร่างเป็น 3 มิติแตกต่างกัน ดังนี้
s–orbital มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสเท่ากันทุกทิศทาง ทำให้มองเห็นว่าออร์บิทัลนี้มีรูปร่างเป็นทรงกลมรอบนิวเคลียส
p–orbital มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบ นิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน x , y , z จึงเป็น px–orbital , py–orbital , pz–orbital ตามลำดับ โดย
d–orbital มีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น โดยสองออร์บทัลคือ และ มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน z และแกน x กับแกน y ตามลำดับ ส่วนอีกสามออร์บิทัลคือ , และ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะอยู่ในบริเวณระหว่างแกน x กับ y แกน y กับ z และแกน x กับ z ตามลำดับ
d–orbital มีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น โดยสองออร์บทัลคือ และ มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสอยู่ในบริเวณแกน z และแกน x กับแกน y ตามลำดับ ส่วนอีกสามออร์บิทัลคือ , และ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะอยู่ในบริเวณระหว่างแกน x กับ y แกน y กับ z และแกน x กับ z ตามลำดับ
สำหรับอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน ระดับพลังงานย่อยที่อยู่ในระดับพลังงานเดียวกันจะมีพลังงานแตกต่างกัน และในแต่ละระดับพลังงานย่อยจะมีจำนวนออร์บิทัลแตกต่างกันดังนี้
จำนวนออร์บิทัล และจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละออร์บิทัล
ระดับพลังงานย่อย จำนวนออร์บิทัล จำนวนอิเล็กตรอนแต่ละออร์บิทัล จำนวนอิเล็กตรอนรวม
s 1 2 2
p 3 2 6
d 5 2 10
f 7 2 14
ระดับพลังงานย่อย จำนวนออร์บิทัล จำนวนอิเล็กตรอนแต่ละออร์บิทัล จำนวนอิเล็กตรอนรวม
s 1 2 2
p 3 2 6
d 5 2 10
f 7 2 14
ระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย และในแต่ละระดับพลังงาน
ระดับพลังงาน ระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงาน
1 s 2 2
2 s 2 8
p 6
3 s 2 18
p 6
d 10
4 S 2 32
.p 6
.d 10
.f 14
ระดับพลังงาน ระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงาน
1 s 2 2
2 s 2 8
p 6
3 s 2 18
p 6
d 10
4 S 2 32
.p 6
.d 10
.f 14
หลักการจัดเรียงอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัล
1. ใช้หลักการกัดกันของเพาลีที่กล่าวว่า อิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใดในออร์บิทัลเดียวกันจะต้องมีสมบัติไม่เหมือนกัน อย่างน้อยต้องมีการหมุนรอบตัวเองไม่เหมือนกัน โดยตัวหนึ่งหมุนตามเข็มนาฬิกา และอีกตัวหนึ่งหมุนทวนเข็มนาฬิกา เพื่อให้ระบุได้ว่าเป็นอิเล็กตรอนตัวใดเมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงาน ระดับพลังงานย่อย และในออร์บิทัลเดียวกัน จึงกำหนดให้บรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน ให้ แทนออร์บิทัล อิเล็กตรอนเขียนด้วยลูกศร อิเล็กตรอนในออร์บิทัลจึงเขียนแทนได้เป็น หรือ โดยหัวลูกศรแสดงทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอน 1 ใน 2 แบบที่เป็นไปได้ ในกรณีที่มีอิเล็กตรอนเต็มออร์บิทัลสามารถเขียนเป็น ถ้าเขียนเป็น หรือ จะไม่สอดคล้องตามหลักการกีดกันของเพาลี
2. การบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุลงในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างก่อนเสมอ (ตามหลักของเอาฟบาว) คือ 1s 2s 2p 3s . . . ตามลำดับ เพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำสุดและมีความเสถียรที่สุด ในกรณีที่มีหลายออร์บิทัลและแต่ละออร์บิทัลมีพลังงานเท่ากัน เช่น 2p–orbital ซึ่งออร์บิทัลทั้งสามมีพลังงานเท่ากัน ให้บรรจุอิเล็กตรอนในลักษณะที่ทำให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้ (ตามกฎของฮุนด์) เมื่ออิเล็กตรอนเหลือจึงบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่เต็มออร์บิทัลนั้น เช่น
มี 2 อิเล็ตรอนใน 2p–orbital จะบรรจุอิเล็กตรอนได้เป็น
มี 5 อิเล็ตรอนใน 2p–orbital จะบรรจุอิเล็กตรอนได้เป็น
3. อะตอมของธาตุที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนเต็มในทุก ๆ ออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันเรียกว่า การบรรจุเต็ม (full filled) ถ้ามีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่เพียงครึ่งเดียวเรียกว่า การบรรจุครึ่ง (half filled) การบรรจุเต็มหรือบรรจุครึ่งจะทำให้อะตอมมีความเสถียรมากกว่าการบรรจุแบบอื่น ๆ
1. ใช้หลักการกัดกันของเพาลีที่กล่าวว่า อิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่ใดในออร์บิทัลเดียวกันจะต้องมีสมบัติไม่เหมือนกัน อย่างน้อยต้องมีการหมุนรอบตัวเองไม่เหมือนกัน โดยตัวหนึ่งหมุนตามเข็มนาฬิกา และอีกตัวหนึ่งหมุนทวนเข็มนาฬิกา เพื่อให้ระบุได้ว่าเป็นอิเล็กตรอนตัวใดเมื่ออิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงาน ระดับพลังงานย่อย และในออร์บิทัลเดียวกัน จึงกำหนดให้บรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลได้สูงสุด 2 อิเล็กตรอน ให้ แทนออร์บิทัล อิเล็กตรอนเขียนด้วยลูกศร อิเล็กตรอนในออร์บิทัลจึงเขียนแทนได้เป็น หรือ โดยหัวลูกศรแสดงทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอน 1 ใน 2 แบบที่เป็นไปได้ ในกรณีที่มีอิเล็กตรอนเต็มออร์บิทัลสามารถเขียนเป็น ถ้าเขียนเป็น หรือ จะไม่สอดคล้องตามหลักการกีดกันของเพาลี
2. การบรรจุอิเล็กตรอนต้องบรรจุลงในออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำสุดและว่างก่อนเสมอ (ตามหลักของเอาฟบาว) คือ 1s 2s 2p 3s . . . ตามลำดับ เพราะจะทำให้พลังงานรวมทั้งหมดมีค่าต่ำสุดและมีความเสถียรที่สุด ในกรณีที่มีหลายออร์บิทัลและแต่ละออร์บิทัลมีพลังงานเท่ากัน เช่น 2p–orbital ซึ่งออร์บิทัลทั้งสามมีพลังงานเท่ากัน ให้บรรจุอิเล็กตรอนในลักษณะที่ทำให้มีอิเล็กตรอนเดี่ยวมากที่สุดเท่าที่จะมากได้ (ตามกฎของฮุนด์) เมื่ออิเล็กตรอนเหลือจึงบรรจุอิเล็กตรอนเป็นคู่เต็มออร์บิทัลนั้น เช่น
มี 2 อิเล็ตรอนใน 2p–orbital จะบรรจุอิเล็กตรอนได้เป็น
มี 5 อิเล็ตรอนใน 2p–orbital จะบรรจุอิเล็กตรอนได้เป็น
3. อะตอมของธาตุที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนเต็มในทุก ๆ ออร์บิทัลที่มีพลังงานเท่ากันเรียกว่า การบรรจุเต็ม (full filled) ถ้ามีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่เพียงครึ่งเดียวเรียกว่า การบรรจุครึ่ง (half filled) การบรรจุเต็มหรือบรรจุครึ่งจะทำให้อะตอมมีความเสถียรมากกว่าการบรรจุแบบอื่น ๆ
1s 2s 2p
การบรรจุเต็ม
การบรรจุเต็ม
การบรรจุครึ่ง
ในกรณีที่มีหลายอิเล็กตรอน การบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลต่าง ๆ ตามลำดับพลังงานจากต่ำไปสูงจะเป็นดังนี้
ในกรณีที่มีหลายอิเล็กตรอน การบรรจุอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัลต่าง ๆ ตามลำดับพลังงานจากต่ำไปสูงจะเป็นดังนี้
ตารางแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนเข้าในระดับพลังงานตามลำดับ
ระดับพลังงาน จำนวนระดับพลังงานย่อยหรือออร์บิทัลที่อยู่ในแต่ละระดับพลังงาน
ระดับพลังงาน จำนวนระดับพลังงานย่อยหรือออร์บิทัลที่อยู่ในแต่ละระดับพลังงาน
n = 1
n = 2
n = 3
n = 4
n = 5
n = 6
n = 7
สำหรับไฮโดรเจนอะตอมซึ่งมี 1 อิเล็กตรอน เมื่ออะตอมอยู่ในสถานะพื้นอิเล็กตรอนจะอยู่ใน 1s–orbital และฮีเลียมมี 2 อิเล็กตรอน อิเล็กตรอนทั้งหมดจะเข้าไปอยู่ใน 2s–orbitalและบรรจุในลักษณะที่ทำให้อิเล็กตรอนมีทิศทางการหมุนรอบตัวเองแตกต่างกันตามหลักของเพาลี แผนภาพการบรรจุอิเล็กตรอนจึงเป็นดังนี้
1s 2s 2p
H
1s 2s 2p
H
He
สำหรับธาตุ 20 ธาตุแรกมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยและในออร์บิทัลต่าง ๆ ดังตารางต่อไปนี้
ตารางแสดงระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย
และในแต่ละระดับพลังงาน ของ 20 ธาตุแรก
เลขอะตอม ธาตุ แผนภาพการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล ระดับพลังงานย่อย
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
1 H 1s1
ตารางแสดงระดับพลังงานย่อย จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในระดับพลังงานย่อย
และในแต่ละระดับพลังงาน ของ 20 ธาตุแรก
เลขอะตอม ธาตุ แผนภาพการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัล ระดับพลังงานย่อย
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d
1 H 1s1
2 He 1s2
3 Li 1s22s1
4 Be 1s22s2
5 B 1s22s22p1
6 C 1s22s22p2
7 N 1s22s22p3
8 O 1s22s22p4
9 F 1s22s22p5
10 Ne 1s22s22p6
11 Na [Ne] 3s1
12 Mg [Ne] 3s2
13 Al [Ne] 3s23p1
14 Si [Ne] 3s23p2
15 P [Ne] 3s23p3
16 S [Ne] 3s23p4
17 Cl [Ne] 3s23p5
18 Ar [Ne] 3s23p6
19 K [Ar] 4s13d0
20 Ca [Ar] 4s23d0
อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงสุดหรือชั้นนอกสุดของอะตอมเรียกว่า เวเลนซ์อิเล็กตรอน (valence electron)
การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่าง ๆ ตามลำดับระดับพลังงาน มีบางธาตุที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่เป็นไปตามหลักการ เช่น Cr เลขอะตอม 24 มีแผนภาพแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ดังนี้
การบรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่าง ๆ ตามลำดับระดับพลังงาน มีบางธาตุที่มีการบรรจุอิเล็กตรอนในระดับพลังงานย่อยไม่เป็นไปตามหลักการ เช่น Cr เลขอะตอม 24 มีแผนภาพแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่างๆ ดังนี้
Cr = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 ไม่ใช่ 4s2 3d4
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
Cr
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
Cr
และ Cu เลขอะตอม 29 บรรจุอิเล็กตรอนในออร์บิทัลต่าง ๆ ดังนี้
Cu = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 ไม่ใช่ 4s2 3d9
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
Cu
Cu = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 ไม่ใช่ 4s2 3d9
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
Cu
สรุปการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบครึ่งและแบบเต็ม
การที่บรรจุอิเล็กตรอนของ Cr เป็น 4s1 3d5 โดยมีอิเล็กตรอนใน
3d–orbital เป็น 5 อิเล็กตรอน เป็น การบรรจุแบบครึ่ง (Half–filled electronic configuration) ซึ่งทำให้อะตอมมีความเสถียรกว่าการบรรจุแบบ 4s2 3d4
ส่วน Cu ซึ่งบรรจุอิเล็กตรอนเป็น 4s1 3d10 จะเสถียรกว่าการบรรจุแบบ 4s2 3d9 เพราะ 3d–orbital มีจำนวนอิเล็กตรอนเต็มทุกออร์บิทัล เป็น การบรรจุแบบเต็ม (Full–filled electronic configuration)
http://www.rmutphysics.com/charud/oldnews/0/286/2/4/atom/Elag7.htm
Comments
Post a Comment