Transcript Slide 1

1
ว 30131 เคมีพืน้ ฐาน
โครงสร้างอะตอม
อิเล็กตรอนและโครงสร้างอะตอม(ต่อ)
นายศราวุทธ แสงอุไร
ครูวิชาการสาขาเคมี โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
คลื่นและสมบัติของคลื่น
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
2
3
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ า (ELECTROMAGNETIC RADIATION)
คลื่น (WAVE) และ อนุภาค (PARTICLE)
subatomic particles (electron, photon, etc)
แสง (Light) คือ electromagnetic radiation ผสมกันระหว่าง คลื่นฟ้ า และคลื่นแม่เหล็ก
Properties :
Wavelength, l (nm)
Frequency, n (s-1, Hz)
Amplitude, A
constant speed. c
3.00 x 108 m.s-1
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
4
5
Electromagnetic Radiation
wavelength
Visible light
Amplitude
wavelength
Ultaviolet radiation
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Node
Electromagnetic Radiation
All waves have:
frequency
6
and
wavelength
symbol:
n (Greek letter “nu”)
l (Greek “lambda”)
units:
“cycles per sec” = Hertz
“distance” (nm)
• All radiation:
l•n = c
where c = velocity of light = 3.00 x 108 m/sec
Note: Long wavelength  small frequency
Short wavelength high frequency
increasing
frequency
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
increasing
wavelength
7
Electromagnetic Radiation (4)
Example: Red light has l = 700 nm.
Calculate the frequency, n.
n=
c
l
=
3.00 x 10
7.00 x 10
8
m/s
-7
= 4.29 x 10
14
Hz
m
• Wave nature of light is shown by classical wave
properties such as
• interference
• diffraction
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
การแผ่รงั สีของวัตถุดา และค่านิจของแพลงค์(Max Planck)
วัตถุทุกชนิดไม่ว่าจะร้อนหรือเย็นจะมี
การแผ่รงั สีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ า
ออกมาโดยทัวไปเข้
่
าใจว่าวัตถุร้อน
เท่านัน้ ที่จะแผ่รงั สีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ า
ออกมาเพราะเรามักจะพบคลื่นแสงแผ่
ออกมาจากวัตถุที่ร้อนเช่นแสงจากดวง
อาทิตย์แสงจากการเผาถ่านไม้หรือ
แสงจากไส้หลอดทังสเตนเป็ นต้น แต่
ความจริงแล้ววัตถุที่เย็นก็มีการแผ่ของ
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ าออกมาเช่นกัน
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
8
9
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
10
Quantization of Energy
Max Planck (1858-1947) Solved the “ultraviolet
catastrophe”
4-HOT_BAR.MOV
Planck’s hypothesis: An object can only gain or
lose energy by absorbing or emitting radiant
energy in QUANTA.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
11
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
12
Quantization of Energy
Energy of radiation is proportional to frequency.
E = h•n
where h = Planck’s constant = 6.6262 x 10-34 J•s
Light with large l (small n) has a small E.
Light with a short l (large n) has a large E.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Photoelectric Effect
Albert Einstein (1879-1955)
Photoelectric effect demonstrates the
particle nature of light. (Kotz, figure 7.6)
No e- observed until light
of a certain minimum E is used.
Number of e- ejected does NOT
depend on frequency, rather it
depends on light intensity.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
13
14
Photoelectric Effect (2)
• Classical theory said that E of ejected
electron should increase with increase
in light intensity — not observed!
• Experimental observations can be explained if
light consists of particles called PHOTONS of
discrete energy.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Energy of Radiation
PROBLEM: Calculate the energy of 1.00 mol of
photons of red light.
l = 700 nm n = 4.29 x 1014 sec-1
E = h•n
= (6.63 x 10-34 J•s)(4.29 x 1014 sec-1)
= 2.85 x 10-19 J per photon
E per mol = (2.85 x 10-19 J/ph)(6.02 x 1023 ph/mol)
= 171.6 kJ/mol
- the range of energies that can break bonds.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
15
16
Atomic Line Spectra
Bohr’s greatest contribution to science was
in building a simple model of the atom.
It was based on understanding the SHARP
LINE SPECTRA of excited atoms.
Niels Bohr (1885-1962)
(Nobel Prize, 1922)
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
17
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Absorption Spectrum of a Gas
Dark lines will appear in the light spectrum
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
18
Absorption
spectrum of Sun
Emission spectra of
various elements
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
19
20
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Balmer’s Formula for Hydrogen
Notice there are four bright lines in the hydrogen
emission spectrum
Balmer guessed the following formula for the
wavelength of these four lines:
where n = 3, 4, 5 and 6
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
21
Bohr’s Model of the Hydrogen Atom (1913)
He proposed that only certain orbits for the
electron are allowed
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
22
Bohr’s Empirical Explanation
Electrons can only take discrete energies
(energy is related to radius of the orbit)
Electrons can jump between different orbits
due to the absorption or emission of photons
Dark lines in the absorption spectra are
due to photons being absorbed
Bright lines in the emission spectra are
due to photons being emitted
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
23
Absorption / Emission of Photons and Conservation of Energy 24
Ef - Ei = hf
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Ei - Ef = hf
Energy Levels of Hydrogen
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
25
Electron jumping to a higher energy level
E = 12.08 eV
1eV=1.6x10-19 J
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
26
Spectrum of Hydrogen
27
Bohr’s formula:
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Hydrogen is therefore a fussy absorber / emitter of light 28
It only absorbs or emits photons with precisely the
right energies dictated by energy conservation
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
29
Line Spectra of Excited Atoms
Excited atoms emit light of only certain wavelengths
The wavelengths of emitted light depend on the element.
H
Hg
Ne
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
30
Atomic Spectra and Bohr Model
One view of atomic structure in early 20th
century was that an electron (e-) traveled
about the nucleus in an orbit.
+
Electron
orbit
1. Classically any orbit should be
possible and so is any energy.
2. But a charged particle moving in an electric field
should emit energy.
End result should be destruction!
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
31
From Bohr model to Quantum mechanics
Bohr’s theory was a great accomplishment and radically
changed our view of matter.
But problems existed with Bohr theory —
– theory only successful for the H atom.
– introduced quantum idea artificially.
So, we go on to QUANTUM or WAVE MECHANICS
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Quantum or Wave Mechanics
32
Light has both wave & particle properties
de Broglie (1924) proposed that all
moving objects have wave properties.
For light: E = hn = hc / l
For particles: E = mc2 (Einstein)
L. de Broglie
(1892-1987)
Therefore, mc = h / l
and for particles
(mass)x(velocity) = h / l
l for particles
is called the de Broglie wavelength
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
33
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
WAVE properties of matter
34
Electron diffraction with
electrons of 5-200 keV
- Fig. 7.14 - Al metal
Davisson & Germer 1927
Na Atom Laser beams
l = 15 micometers (mm)
Andrews, Mewes, Ketterle
M.I.T. Nov 1996
The new atom laser emits pulses of coherent atoms,
or atoms that "march in lock-step." Each pulse
contains several million coherent atoms and
is accelerated downward by gravity. The curved
shape of the pulses was caused by gravity and forces
between the atoms. (Field of view 2.5 mm X 5.0 mm.)
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
4-ATOMLSR.MOV
Quantum or Wave Mechanics
Schrodinger applied idea of e- behaving as
a wave to the problem of electrons in
atoms.
Solution to WAVE EQUATION gives set of
mathematical expressions called
WAVE FUNCTIONS, Y Each describes an
allowed energy state of an eE. Schrodinger Quantization introduced naturally.
1887-1961
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
35
WAVE FUNCTIONS, Y
• Y is a function of distance and two angles.
• For 1 electron, Y corresponds to an ORBITAL —
the region of space within which an electron is found.
• Y does NOT describe the exact location of the
electron.
• Y2 is proportional to the probability of finding an e- at
a given point.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
36
Uncertainty Principle
W. Heisenberg
1901-1976
Problem of defining nature of electrons in
atoms solved by W. Heisenberg.
Cannot simultaneously define the position
and momentum (= m•v) of an electron.
Dx. Dp = h
At best we can describe the position and
velocity of an electron by a
PROBABILITY DISTRIBUTION, which is
given by Y2
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
37
This explains why some nebulae are red or pink in colour
One of the transitions in the Balmer series
corresponds to the emission of red light
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
38
Schrödinger’s Improvement to Bohr’s Model
Showed how to obtain Bohr’s formula using the
Schrödinger equation
Electron is described by a wave function y
Solved for y in the electric potential due to the
nucleus of the hydrogen atom
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
39
Square Well
Approximate electric (roller coaster) potential by a ‘square
well’
System is then identical to the wave equation for a string
that is fixed at both ends
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
40
Vibrational Models of a String
fundamental
2nd harmonic
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
3rd harmonic
41
4th harmonic
Energy Levels in a Box
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
42
43
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Quantum Numbers
Energy levels can only take discrete values
Labelled by a ‘quantum number’ n, which
takes values 1, 2, 3, ...
Each level has energy that increases with n
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
44
Ground State (n=1)
Lowest or ground-state energy is non-zero
Electron cannot sit still but must be forever
‘jiggling around’
Expected from the Heisenberg uncertainty principle
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
45
Vibrational Modes of a Rectangular Membrane
(1,1) mode
(1,2) mode
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
(2,1) mode
46
(2,2) mode
Electron in a Hydrogen Atom
Wave function is like a vibrating string or membrane, but
the vibration is in three dimensions
Labelled by three quantum numbers:
– n = 1, 2, 3, …
– ℓ = 0, 1, …, n-1
– m = -ℓ, -ℓ+1, …, ℓ-1, ℓ
For historical reasons, ℓ = 0, 1, 2, 3 is also known
as s, p, d, f
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
47
1s Orbital
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
48
Density of the cloud gives probability of
where the electron is located
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
49
2s and 2p Orbitals
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
50
Another diagram of 2p orbitals
Note that there are three different configurations
corresponding to m = -1, 0, 1
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
51
3d Orbitals
Now there are five different configurations
corresponding to m = -2, -1, 0, 1, 2
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
52
4f Orbitals
There are seven different configurations
corresponding to m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
53
Summary
Electron does not fly round the nucleus like the Earth
around the Sun (Rutherford, Bohr)
Depending on which energy level it is in, the electron can
take one of a number of stationary probability
cloud configurations (Schrödinger)
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
54
55
Wavefunctions (3)
Y2 is proportional to the probability
of finding an e- at a given point.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
4-S_ORBITAL.MOV
(07m13an1.mov)
Orbital Quantum Numbers
56
An atomic orbital is defined by 3 quantum numbers:
–
n
l
ml
Electrons are arranged in shells and subshells of ORBITALS
.
n  shell
l  subshell
ml  designates an orbital within a subshell
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Quantum Numbers
57
Symbol
Values
Description
n (major)
1, 2, 3, ..
Orbital size and
energy = -R(1/n2)
l (angular)
0, 1, 2, .. n-1
Orbital shape or
type (subshell)
ml (magnetic)
-l..0..+l
Orbital orientation
in space
Total # of orbitals in lth subshell = 2 l + 1
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Shells and Subshells
For n = 1, l = 0 and ml = 0
There is only one subshell and that subshell
has a single orbital
(ml has a single value ---> 1 orbital)
This subshell is labeled s (“ess”) and we call
this orbital 1s
Each shell has 1 orbital labeled s.
It is SPHERICAL in shape.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
58
s Orbitals
All s orbitals are spherical in shape.
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
59
p Orbitals
For n = 2, l = 0 and 1
There are 2 types of orbitals — 2 subshells
For l = 0
ml = 0
this is a s subshell
For l = 1 ml = -1, 0, +1
this is a p subshell
with 3 orbitals
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
60
Typical p orbital
planar node
When l = 1, there is a
PLANAR NODE through
the nucleus.
61
p orbitals (2)
pz
90 o
A p orbital
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
px
py
The three p
orbitals lie 90o
apart in space
l=
px
py
pz
62
p-orbitals(3)
n=
2
3
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
d Orbitals
63
For n = 3, what are the values of l?
l = 0, 1, 2
and so there are 3 subshells in the shell.
For l = 0, ml = 0
 s subshell with single orbital
For l = 1, ml = -1, 0, +1

p subshell with 3 orbitals
For l = 2, ml = -2, -1, 0, +1, +2
 d subshell with 5
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
orbitals
64
d Orbitals
typical d orbital
planar node
s orbitals have no planar node (l
= 0) and so are spherical.
p orbitals have l = 1, and have 1
planar node
planar node,
and so are “dumbbell” shaped.
IN GENERAL
the number of NODES
d orbitals (with l = 2)
= value of angular
have 2 planar nodes
quantum number (l)
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
Boundary surfaces for all orbitals of the
n = 1, n = 2 and n = 3 shells
65
n=
3d
3
There are
2
n2
orbitals in
the nth SHELL
1
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
66
ATOMIC ELECTRON CONFIGURATIONS AND PERIODICITY
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
แหล่งอ้างอิง
• Martin S. Silberberg, Chemistry: The Molecular Nature of
Matter and Change, McGraw-Hill Higher Education, 2004
• Raymond Chang, Chemistry, Williams College, McGraw-Hill
Higher Education, 2002
โครงสร้างอะตอม ชุดที่2 อ.ศราวุทธ แสงอุไร
67