Transcript เลขควอนตัม

เลขควอนตม
ั (Quantum
Number)
เลขควอนตัมสปิ น
เลขควอนตัมหลัก
เลขควอนตัมแม่เหล
เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม
1
เลขควอนตัม (Quantum
Numbers)
 จากการแก ้สมการคลืน
่ ของโชรดิงเจอร์
พบว่า มีเลขจานวนเต็มทีเ่ กีย
่ วข ้อง 4
ค่า เรียกว่า เลขควอนตัม(Quantum
number) คือ n, l, ml , ms
1. เลขควอนตัมหลัก (n) (Principle
quantum number)
 เลขจานวนเต็มบวก มีคา
่ 1,2,3…
 บอกถึงระดับพลังงานหลัก
## ถ้า n มีคา
่ มาก แสดงว่าอิเล็กตรอน
อยู ่ห่างนิ วเคลียสมากและมีพลังงานมาก
2
เลขควอนตัม
2. เลขควอนตัมออร ์บิทล
ั (l) หรือ เลข
ควอนตัมโมเมนตัมเชงิ มุม (Angular
momentum quantum number)
 บอกรูปร่างของออร์บท
ิ ล
ั ที่ e- อยู่
 ระดับพลังงานย่อยในระดับพลังงานหลัก
 ค่า l เป็ นเลขจานวนเต็ม ขึน
้ กับค่า n
 l มีคา
่ ตัง้ แต่ 0,1,2… , n-1
 มีทง
ั ้ หมด n ค่า
- มี n = 3
่
ถเช
น
e
คา่ l อ่ =นที
0,1,2
้าค่า l สูงแสดงว่าอิเล็กจะมี
ตรอนเคลื
ด
่ ้วยโมเมนตัม
เชงิ มุมสูงและมีพลังงานสูงค่า l บอกให ้ทราบถึงระดับ
พลังงานย่อยของอิเล็กตรอนและบอกให ้ทราบถึงรูปร่างของ
ออร์บท
ิ ัลทีบ
่ รรจุอเิ ล็กตรอนตัวนัน
้
3
เลขควอนตัม
ื่ เลขควอนตัม l
การเรียกชอ
=0
เรียก
s orbital
l=1
,,
p orbital
l=2
,,
d orbital
l=3
,,
f orbital
l=4
,,
g orbital
(ยังไม่พบธาตุทม
ี่ ี
อิเล็กตรอนในออร์บต
ิ อลนี)้
 l




4
เลขควอนตัม
3. เลขควอนตัมแม่เหล็ก (ml) Magnetic
quantum number
 แสดงทิศทางการจัดตัวของ ออร์บท
ิ ัล
 บอกจานวน ออร์บท
ิ ัล ในระดับพลังงานหลัก
 ค่า ml เป็ นเลขจานวนต็ม ขึน
้ กับค่า l
 ml มีคา
่ ระหว่าง l ถึง – l
 รวม 2l + 1 ค่า
• l = 0 , ml = 0
• l = 1 , ml = 0, +1, -1
• l = 2 , ml = 0, +1, +2, -1, -2
• l = 3 , ml = 0, +1, +2,+3, -1, -2,-3
5
้ ับค่า l โดยจะมีคา
ml ขึนก
่ ระหว่าง l แ
l = 0 (s) ml มีได้ 1 ค่า คือ 0
l = 1 (p) ml มีได้ (2 x 1) + 1 = 3 ค่า ค
l = 2 (d) ml มีได้ (2 x 2) + 1 = 5 ค่า ค
0,-1, -2
l = 3 (f) ml มีได้ (2 x 3) + 1 = 7 ค่า ค
0,-1, -2,-3
6
เลขควอนตัม
 อิเล็กตรอนทีม
่ ค
ี า่ l เดียวกัน แต่มค
ี า่ ml
ต่างกันเมือ
่ เคลือ
่ นทีใ่ นอะตอม จะมีโมเมนตัม
เชงิ มุมเท่ากัน
 เมือ
่ อยูใ่ นสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้ าทิศ
ทางการเรียงตัวของ ออร์บท
ิ ัล ต่างกัน จะมี
ปฏิกริ ย
ิ ากับสนามต่างกัน ทาให ้ระดับ
พลังงานไม่เท่ากัสนามแม่
น
m = +1
เหล็ก
l
ระดับพลังงาน
ml= 0
ml= -1
l=1, ml= -1, 0, +1
7
เลขควอนตัม
4. เลขควอนตัมสปิ น ,
quantum number)
ms (Spin
 เป็ นตัวเลขบอกทิศทางการหมุนรอบ
ตัวเองของ eมีคา่ + ½ , - ½
• ms = +½
• ms = -½


e- อยูใ่ นสภาพ สปิ นขึน
้
e- อยูใ่ นสภาพ สปิ นลง
8
Atomic Orbital คืออะไร
 ออร์บท
ิ ัลคือทีอ
่ ยูข
่ องอิเล็กตรอน* หรือ
บริเวณทีม
่ โี อกาสพบอิเล็กตรอน
 ออร์บท
ิ ัลมีได ้หลายแบบ แตกต่างกันที่




รูปร่าง
ระดับพลังงาน
ขนาด
ทิศทาง
 ชนิดของออร์บท
ิ ัลกาหนดโดยเลขควอนตัม
(n, l, ml)
 แต่ละออร์บท
ิ ัลสามารถมีอเิ ล็กตรอนได ้มาก
ทีส
่ ด
ุ สองตัว (อาจไม่มเี ลยก็ได ้)
 อิเล็กตรอนทีอ
่ ยูใ่ นออร์บท
ิ ัลเดียวกัน
้
สามารถระบุโดยใชเลขควอนตั
มสปิ น (ms)
9
รู ปร่างของออร ์บิทล
ั -- s
orbitals
1. s-orbital (l = 0; ml = 0)
 รูปร่างของออร์บท
ิ ัลเป็ นทรงกลม
 ค่า n เพิม
่ ขนาดออร์บท
ิ ล
ั เพิม
่
 ขนาด 1s  2s  3s  4s …
1s
2s
1s
2s
10
รู ปร่างของออร ์บิทล
ั -- p
orbitals
2. p-orbital (l = 1; ml = +1, 0, -1)
 ลักษณะเป็ นรูปดัมเบลหรือ lobe 2
lobe
 p-orbital มี 3 ออร์บท
ิ ัล  px, py, pz
 ค่า n เพิม
่ ขนาดออร์บท
ิ ัลเพิม
่
ml = -1 (px)
z
ml = +1 (pz)
ml = 0 (py)
x
11
รู ปร่างของออร ์บิทล
ั -- d
orbitals
3. d- orbital (l = 2; ml = +2,+1, 0,1,-2)
 ลักษณะเป็ นรูปดัมเบลคู่ หรือ lobe 4
lobe
 lobe อยูร่ ะหว่างแกน xy, xz, yz เรียกว่า
dxy, d xz, dyz orbital
 lobe อยูบ
่ นแกน xy เรียกว่า dx2 -y2
orbital
 lobe อยูบ
่ นแกน z เรียกว่า dz2 orbital
dz2
dxy, dxz, dyz, dx2-y2
12
รู ปร่างของออร ์บิทล
ั -- d
orbitals
 รูปร่างของ d-orbital
13
รู ปร่างของออร ์บิทล
ั -- f
orbitals
14
การหาโครงแบบ e- (Electronic
configuration)
1. หลักของเพาลี (Pauli exclusion
principle)
“ไม่ม ี e- คูห
่ นึง่ คูใ่ ดในอะตอมเดียวกัน
ทีม
่ เี ลขควอนตัมทัง้ ส ี่ เหมือนกันทุก
ประการ”
 แต่ละ orbital มี e- ได ้มากทีส
่ ด
ุ 2 ตัวซงึ่
จาเป็ นต ้องมีคา่ ms ต่างกัน (มีทศ
ิ ทางการ
Atomic orbitals
# orbitals
# electrons
หมุนตรงข
้ามกั
น
)
s
1
2
่ n = 2,
 เชน
p l = 0, m
3 l = 0, ms 6= + ½
d
5
10
n = 2,
l = 0, m
=
0,
m
l
s = - ½
f
7
14
15
การหาโครงแบบ e- (Electronic
configuration)
2. หลักของเอาฟบาว (Aufbau
principle)
“บรรจุ e- ในออร์บท
ิ ัลทีม
่ พ
ี ลังงานตา่ สุด
จนเต็มก่อนแล ้วจึง’
บรรจุ e- ใน
ออร์บท
ิ ัลทีม
่ พ
ี ลังงานสูงขึน
้ ”
3. กฎของฮุนด ์ (Hund’s law)
“การบรรจุ e- ในออร์บท
ิ ัลทีม
่ ี พลังงาน
เท่ากัน จะบรรจุให ้มี e- เดีย
่ วมากทีส
่ ด
ุ ”
(สปิ นขึน
้ )
16
การบรรจุ
แบบที่ 1
บิทัล




e
ในออร ์บิทล
ั
ใช ้  หรือ  หรือ แทนออร์
ไม่ใช่
= e- สปิ นขึน
้
 = e สปิ นลง
 = e คู่
 = e เดีย
่ ว

แบบที่ 2 เขียนเป็ นตัวเลขและตัวอักษร
แสดงชนิดของ ออร์บท
ิ ัล (1s, 2s, 2p
etc.) และจานวนอิเล็กตรอนใน ออร์
่
บิทัลเชน
 1s2 (มี e- 2 ตัวใน 1s-orbital)
 2p6 (มี e- 6 ตัวใน 2p-orbitals – px, py,
p)
17
ลาดับการบรรจุ
e
 บรรจุอเิ ล็กตรอนจากระดับพลังงานตา่
ก่อน
 ลาดับการบรรจุอาจดูได ้จากผังการเติม
อิเล็กตรอน
18
การบรรจุเต็ม
(Complete subshell)
การบรรจุไม่เต็ม
(Incomplete subshell)
การบรรจุครึง่ (Half-filled
subshell)
19
ลาดับการบรรจุ
e
เมือ
่ ออร์บท
ิ ัล มีระดับพลังงานทีเ่ ท่ากัน
(degeneracy)
 ถ ้าทุกๆออร์บท
ิ ัล มี e- เต็ม  การ
บรรจุเต็ม
 ถ ้าทุกๆออร์บท
ิ ัล มี e- เพียงครึง่ เดียว
 การบรรจุครึง่
 ความเสถียร
 การบรรจุเต็ม  การบรรจุครึง
่  แบบอืน
่ ๆ
 2p3 เสถียรกว่า 2p4
 3d10 เสถียรกว่า 3d5 เสถียรกว่า 3d7
20
การจัดเรียงอิเล็กตรอนใน
อะตอม
่ ่รอบๆ นิ วเคลียสนั้ น จะ
 1. อิเล็ กตรอนทีวิ่ งอยู
้ั
อยูก
่ น
ั เป็ นชนๆ
ตามระดับ พลัง งาน ระดับ พลัง งานที่อยู่
่ ด
ใกล ้นิ วเคลียสทีสุ
( ช ้ั น K) จ ะ มี พ ลั ง ง า น ต่ า ที่ สุ ด แ ล ะ
อิเล็กตรอนในระดับ
ส พ ลั ง ง า น
พ ลั ง ง า น ช ้น
ั ถั ด อ อ ก มนิวาเคลี
จ ะยมี
้ ตามลาดับ ระดับพลังงาน
สูงขึนๆ
1
3 4
5 6
้ั
พลัง งานของอิ เ2ชืล็อระดั
ก
ตรอนของระดั
บ
ช
น
่
บพลังงาน
K
M N O P
พลังงาน
L
21
การจัดเรียง
นวนอิเล็กตรอนสู งสุด
อิเล็กตรอนในอะตอม
ั ้ ของระดับพลังงาน จะมีจานวน
 2. ในแต่ละชน
อิเล็กตรอนได ้ ไม่เกิน
ั้
2n2
เมือ
่ n = เลขชน
ั ้ ของชน
ั ้ K = 1, L = 2, M = 3, N = 4,
เลขชน
O = 5, P = 6 และ Q = 7
ั้ K
ตัวอย่าง
จานวน e- ในระดับพลังงานชน
มีได ้ ไม่เกิน
2n2
= 2 x 12 = 2x1 = 2
ั ้ N มี
จานวน e-ในระดับพลังงานชน
ได ้ ไม่เกิน
2n2
= 2 x 42 = 2x16 = 32
22
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
ในอะตอม
้ั อย จะมีจานวน e- ได้
 ในแต่ละชนย่
ไม่เกิน ด ังนี ้
ั ้ ย่อย s มี e- ได ้
ระดับพลังงานชน
ั ้ ย่อย p
ไม่เกิน 2 ตัว ระดับพลังงานชน
มี e- ได ้ ไม่เกิน 6 ตัวระดับพลังงาน
ั ้ ย่อย d มี e-ได ้ ไม่เกิน 10 ตัว
ชน
ั ้ ย่อย f มี e-ได ้ ไม่
ระดับพลังงานชน
เกิน 14 ตัว เขียนเป็ น
s2 p6 d10 f14
23
การจัดเรียงอิเล็กตรอนใน
อะตอม
24
วิธก
ี ารจัดเรียง
อิเล็กตรอนในอะตอม
2
p
6
f
25
ตัวอย่างการหาโครงแบบ
อิเล็กตรอน

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2
36
54
4d10 5p106 6s218…



2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Fe
=
1s
=
26
[Ar] 4s2 3d6
เอาอิเล็กตรอนออกจากวงนอนสุด (4s2) สอง
ตัวจะได ้
2+
= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d6
26Fe
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2 เอา
Ti
=
1s
22
อิเล็กตรอนออกจากวงนอกสุด (4s2 และ 3d2)
สองและหนึง่ ตัวจะได ้
3+
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s0 3d1
Ti
=
1s
22
2
2
6
2
6
2
4
24Cr = 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d แต่
เนือ
่ งจากระดับพลังงาน 4s และ 3d ใกล ้กัน
26
ตัวอย่าง การบรรจุ
อิเล็กตรอน
#eH
1
He
2
Li
3
C
6
O
8
Ne
10
Na
11
1s






2s
2px
2py
2pz
3s
1s1


   
   
   
     
1s2
1s2 2s1
1s2 2s2 2p2
1s2 2s2 2p4
1s2 2s2 2p6
1s2 2s2 2p6 3s1
[Ne] 3s1
27
การบรรจุอเิ ล็กตรอนในออร ์
บิทล
ั
 Na = 1s2 2s2 2p6 3s1
 S = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
4f 4d
3d
2p
3p
4p 4s
3s
2s
1s
28
ตัวอย่าง จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุ
แคลเซียม ( Ca )
 ธาตุ Ca มีเลขอะตอม = 20 แสดง
ว่ามี p = 20 และมี e- = 20 ตัว
แล ้วจัดเรียง e ดังนี ้
การจัดเรียง eของธาตุ Ca =
2,8,8,2
29
 มีแผนผังการจัดเรียง e- ดังนี ้ Ca มี
้ั
จานวน e- ในระดับพลังงานชนนอก
สุด = 2 ตัว
 จานวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงาน
้ั
ชนนอกสุ
ด เรียกว่า เวเลนซ ์
อิเล็กตรอน (Valence electron)
ดังนั้น Ca มีเวเลนซ ์อิเล็กตรอน = 2
30
40
20
Ca :
2,8, 8, 2
20p
20n
31
ตัวอย่าง จงจัดเรียงอิเล็กตรอนของ
ธาตุ โบรมีน ( Br )
 ธาตุโบรมีน (Br) มีเลขอะตอม
= 35 แสดงว่า โบรมีน (Br) มี
อิเล็กตรอน = 35 ตัว มีการ
จัดเรียงอิเล็กตอน เป็ นดังนี ้
ก า ร จั ด เ รี ย ง
อิเล็กตรอน Br =
2, 8, 18, 7 และมี
เ ว เ ล น ซ์
32
: 2 , 2
4Be
n = 1
คาบ 2 หมู ่ 2
n=2
33
23
11
Na :
2,8,1
11p
12n
34
n=4
n=3
n=2
n=1
p
แรงดึงดูดน้อย
n
แรงดึงดูดมาก
35
การแสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนโดยใช้ N
เลขอะตอม
1
2
3
10
13
18
24
29
36
สัญลักษณ์ การจัดเรียงอิเล็กต
H
1s1
He
1s2
Li
[He]2s1
Ne
[He]2s22p6
Al
[Ne]3s23p1
Ar
[Ne]3s23p6
Cr Transition [Ar]4s13d5
Cu metal
[Ar]4s13d10
Kr
[Ar]4s23d104p
36
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
 การจัดตารางธาตุเป็ นหมู่เป็ นคาบ ทาให ้
้
ศึก ษาสมบัติต่ า งๆ ของธาตุได ง้ ่ า ยขึน
สามารถท านายสมบัติบ างประการของ
ธาตุบางธาตุได ้ กล่าวคือธาตุทอยู
ี่ ่ในหมู่
เดียวกันจะมีสมบัตต
ิ า่ งๆ คล ้าย ๆ กัน และ
ธาตุ ที่อยู่ ใ นคาบเดีย วกัน จะมี แ นวโน้ม
ข อ ง ก า ร เ ป ลี่ ย น แ ป ล ง ส ม บั ติ ต่ า ง ๆ
ต่อเนื่ องกันไป
37
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
การจัดเรียงอิเล็กตรอนกับหมู ่
และคาบของธาตุ
 จากการพิจารณาการจัดเรียงอิเล็ กตรอน
ของธาตุ พบว่ามีสว่ นสัมพันธ ์กับการจัดหมู่
และคาบของตารางธาตุในปัจจุบน
ั
 สาหร ับธาตุกลุม
่ A ธาตุทอยู
ี่ ่ในหมู่เดียวกัน
จะมี เ วเลนซ ์อิเ ล็ ก ตรอนเท่ า กัน จ านวน
เวเลนซ ์อิเ ล็ ก ตรอนของธาตุในแต่ล ะ
หมู ่จะตรงกับเลขประจาหมู ่
่ อเิ ล็กตรอนอยู่ จะ
 จานวนระดับพลังงานทีมี
่
เท่า กับ เลขทีคาบ
นั่ นคือ ธาตุทอยู
ี่ ่ ในคาบ
เดีย วกัน จะมี จ านวนระดับ พลัง งาน
38
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
11Na = 2 , 8 , 1
12Mg = 2 , 8
 เช่น
, 2 19K = 2 , 8 , 8 , 1
 ทัง้ Na และ K ต่างก็มเี วเลนซ ์อิเล็กตรอน
เ ท่ า กัน แ ส ด ง ว่ า เ ป็ น ธ า ตุใ น ห มู ่ เ ดี ย ว กัน
เนื่ องจากมี 1 เวเลนซ ์อิเ ล็ ก ตรอน จึง จัด เป็ น
ธาตุหมู ่ท ี่ 1 เหมือนก ัน
 Na มี 3 ระดบ
ั พลังงาน จึงจัดอยู ่ในคาบที่ 3
ของตารางธาตุ
 K มี 4 ระดบ
ั พลังงานจึงจัดอยู ่ในคาบที่ 4 ของ
ตารางธาตุ
 Mg มี 3 ระดบ
ั พลังงานจึงจัดอยู ่ในคาบที่ 3
39
การจัดอิเล็กตรอนของ
ธาตุทรานสิช ัน
่
เมือเปรี
ยบเทียบการจัดอิเล็กตรอน
ในอะตอมและในไอออน เช่น
Fe ในอะตอมอิสระ
Fe  [Ar] 4s2 3d6
่ ดเป็ นสารประกอบ
เมือเกิ
Fe2+
 [Ar] 3d6
Fe3+
 [Ar] 3d5

40
การจัดอิเล็กตรอนของ
ธาตุทรานสิช ัน
 ในการเกิดไอออนนั้น จะเสียอิเล็กตรอน ใน
4s-ออร ์บิทลั ก่อน และบางกรณี จะเสีย
อิเล็กตรอน ใน 3d-ออร ์บิทลั ด ้วย
 อิเล็กตรอนใน 4s-ออร ์บิทลั มีพลังงานสูง
กว่า 3d-ออร ์บิทลั
่
 บางธาตุต ้องพิจารณาการบรรจุแบบครึงจะ
มีความเสถียรกว่า
Cr  [Ar] 3d5 4s1
Cr3+
 [Ar] 3d3
41
หมู่ที่ 7
คาบที่ 2
่ 4 คาบ
หมู
่
ท
ี
Si
:
2
,
8
,
4
14
ที่ 3
่
่
K
:
2
,
8
,
8
,
1
หมู
่
ท
ี
1
คาบที
19
4
่
In
:
2
,
18
,
18
,
3
หมู
่
ท
ี
3
8
,
49
คาบที่ 5
9F : 2 , 7
42
แบบฝึ กหัด
จงเขียนการจัดเรียงอิเล็กตรอนในสถานะ
้
พืนและจ
าแนกกลุ่ม
ของธาตุตอ
่ ไปนี ้
1s2 2s2 2p6 3s2
3p3
• ธาตุทมี
ี่ 15 อิเล็กตรอน
1s2 2s2
• ธาตุทมี
ี่ 20 อิเล็กตรอน
2
2
3p6 4s2
2p6 3s2
1s 2s 2p6 3s2 3p6
4s2 3d5
• ธาตุทมี
ี่ 25 อิเล็กตรอน
43
พาราแมกนิ ตซ
ิ ม
ึ และไดอะแมกนิ ตซ
ิ ม
ึ
่ อเิ ล็กตรอนโดดเดียวจะถู
่
สสารทีมี
กดึงดูด
ในสนามแม่เหล็กอย่างอ่อน เรียกว่า พารา
้
แมกนิ ตก
ิ (paramagnetic) แต่ถา้ สสารนันมี
่ าคูก
อิเล็กตรอนทีเข้
่ ันหมด จะถูกผลักใน
สนามแม่เหล็กอย่างอ่อนเรียกว่า
ไดอะแมกนิ ตก
ิ (diamagnetic)
เหล็ก โคบอลต ์ และนิ เกิล เป็ นธาตุอส
ิ ระที่
แสดงความเป็ น
เฟอร ์โรแมกนิ ตซ
ิ ม
ึ
้ ความแรง
(ferromagnetism) สมบัตน
ิ ี มี
มากกว่าความเป็ นพาราแมกนิ ตซ
ิ ม
ึ มาก ทาให้
่
่ใน
สสารมีสมบัตข
ิ องแม่เหล็กถาวรเมืออยู
44