Atomic Structure and Periodic table
- 
- -  !"#$
%
- &'#(
- %
- - "
*&
- Aufbau
- $#(*&
- , *&-
#
$ # (Atomic Theory) < .%. 1808
1. #&'( &# B CD
 #
2. *&#$B
3. <  
$G Thomson
 #&'(
<$G$-G
$G Rutherford
Nuclear atom
#&'R<S
&'$& (") -
e- ,
($&$& $D
<U
#CDVG#( $&
-%-
electron "$-
#" (p + n)
$$G$&< (p) $G
( (e) CD(B*&
(, #(-&$&&
-
$
Nuclear atom R#
1) &<#&'$&$D- #<(, V,
S
2) &<#(,$D Z-#-# <
V,#D#-#$&
Niels Bohr <B GZ
"
(Light, Atomic spectra & Atomic structure)
( RR (Electromagnetic radiation)
!"#
%" &' x-ray '+ ,-.01
#"%%34 microwave
7&%- "!
-D B S  %<
aB
c = λν
BBV&#$Z-&#
*BZ
ตัวอยาง 1 หลอดโซเดียมขางถนนใหแสงสีเหลืองมีความยาวคลื่น 589 nm
จงหาความถี่ของแสงนี้
วิธที าํ
C
=
λν
ν
=
C/λ
8
=
-1
2.998 x 10 ms
589 x 10
-9
= 5.09 x 1014 s-1
Max Planck %D
SZ&#G 
( (E )V
a
DVZ (ν)  Albert Einstein  &'  "R (photon)
Photon B#B$(#B$ "$- -"$G
"R jGZD,V
E = hν
ν = hc/λ
λ
h =  Planck = 6.626x10-34Js
c = (
λ = B
ν = Z
Electromagnetic radiation.
Photons of red and blue light.
An excited lithium atom emitting a photon of red light to
drop to a lower energy state.
ตัวอยาง 2 แสงจากหลอดนีออนมีความยาวคลื่น 640 nm จงคํานวณหา
พลังงานของ photon ที่ถูกปลดปลอยออกมา
วิธที าํ
จาก
hc
E = hν =
λ
(6.626 x 10 Js )(2.998 x 10 ms )
-34
E =
= 3.10 x 10-19 J
8
640 x 10 m
-9
−1
Continuous spectra & Line spectra
() B,
B :
: j () SCD G
<#Z $ZD#CDB
: () #$ #
 ZSDCD$ # , B
 "#$
jD
*&o#$
aj
B $
Na, H, Ca Hg
( RR
• 79:, + - ,9'; -% %" &'7,3+=>..'3 ;'3 ' %@A":-
:-%
4-3- %

 !"#$
(The Bohr Model of the Atom)
Neils Bohr (1913) <o H :
:
r Bohr
(# H B, "$
% r  “orbit”
e- Z-#D nucleus jBB<%"
e- <' e- jD
e- $B-<#o,  quantized
$<o # H 1 (V o He+ B Li2+
The Bohr model of the hydrogen atom.
The difference between continuous and quantized
energy levels.
#"%%;-%-3=4 -' orbit +B% C D3EA"%&,
E = -kZ2
n2
k = 2.179 x 10-18 J
Z = atomic No.
n = 1, 2, 3, ... ∝
n = ∝ E = 0,
n B, E 
n1 < n2 < n3 < n∝
**ZB e- -#G**
 B H Z- spark e- <B -# 3
$Ga eE = -kZ2
n
2
(
2.179 x 10 J )( 1)
=−
-18
( 3)
2
= -2.421 x 10-19 J
2
3,- -D4-,>A :" #"%%G- e- D3- ' DA": E 4@ (ground
(ground state)
DA": E &M%;BN (excited
(excited state)
#"%%'0 10 D4 ,'E , O7-7D 3": #"%%'9 M E---,3,-
e- 3- ' ":%,' DA":#"%%4@
#"%%' --, 3": P4%;-%#"%%"%N &-% DA":
90+ DA":#"%%&M%3E n2 7D DA":
#"%%4@ 3E n1 7D7 E1 7D E2
∆E = | E11 -E22 |
=
-kZ
n12
2
- -kZ
n22
2
G H,
Z=1
∆E =
2.179 x 10-18 J
1 - 1
n12
n22
 $< J wavelength < m < line spectrum H *B e- $# n = 6 n = 4 V-<o<#
∆E = 2.179 x 10-18 J
∆E =
2.179 x 10-18 J
1 - 1
n12
n22
 1 − 1 
 62 4 2 
= 7.566 x 10-20 J
λ $
8
-1
hc
(2.998 x 10 ms)
-34
= (6.626 x 10 Js) x
λ =
-20
E
7.566 x 10 J
= 2.626 x 10-6 m
<o infrared
%
$


( #V B
(ZZ-
C (quantized)
"$( aCoV,
"$# 
(Z "$ # "##-#B
1. <o #j ( 1 &'V Z
*  1 e- #
2. Z*#* ##
G (<$DB #
r#
Louis de Broglie  ' “VB &'”
• !"#$%"&'($)#*+, - .$.!-/0&
“B(B<
"$ $-G
" #”
www.kennethsnelson.net/ atom/
 !C
(Heisenberg Uncertainty Principle)
ZG-"(
, #
∆X ∆P ≥ h/4π
∆X = 


X
∆P = 

(B -<"$"#"
$D  #
ZGa$$( #
$%
(Quantum Mechanical Model of an Atom)
Atom)
มีการคนพบสมการอธิบายการเคลื่อนที่แบบคลื่นของ e- รอบ nucleus
ℋ Ψ = E Ψ (ψ เรียกวา wave function)
บอกพลังงานที่แนนอนของ e- และแสดงบริเวณรอบ nucleus ที่ e- มี
พลังงานดังกลาวปรากฏอยู
เรียกบริเวณนี้วา "orbital" หรือ "atomic orbital"
การปรากฏอยูของ e- ใน orbital อธิบายในเทอมของ "electron
density"
 B a"(D<#&# B
a(&#
• Ψ2 ใชหาความนาจะเปนของการพบอิเล็กตรอน ณ จุดใดจุดหนึ่งที่
ระยะหางจากนิวเคลียส r
• 4πr2 Ψ2 ใชหาความนาจะเปนของการพบอิเล็กตรอนภายใน
ปริมาตรของชั้นทรงกลมบางๆ ดวยรัศมี r
- $$(< G - $ -DV B(-$ B,
- $ -&# B(-$ 0.529 Ao
- $ #& B(-$
1 Ao
แบบจะลองกลศาสตรควอนตัมของอะตอมอธิบายโครงสรางอะตอมไวดังนี้
1). ตําแหนงที่แนนอนของ e- ไมสามารถระบุได
2). e- ในอะตอมอยูใน orbitals ซึ่งประกอบดวยเลขควอนตัมตางๆ
เลขควอนตัม (Quantum
(Quantum Number):
Number):
 n, , m, s จะเปนตัวกําหนดพลังงานของอิเล็กตรอน
 อิเล็กตรอนตัวหนึ่งตัวใดภายในอะตอม มีเลขควอนตัมทั้ง 4 คา
 อิเล็กตรอนแตละตัวมีคา ทั้ง 4 นี้ แตละชุดไมซา้ํ กัน
1. (Principle quantum number, n)
n บอกใหทราบถึงระดับพลังงานหลักของอิเล็กตรอนตัวนั้นๆ
n มีคา ไดตงั้ แต 1,2,3,...
1,2,3,...
คา n ยิ่งสูงแสดงวาอิเล็กตรอนอยูห า งจากนิวเคลียสและมีพลังงานสูงขึ้น
n=4
n=3
n=2
n=1
p
n
2. "o& ()
(Angular momentum quantum nimber)
- บอกถึงโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอน ถาคา l สูงแสดงวาอิเล็กตรอน
เคลือ่ นทีด่ ว ยโมเมนตั
ยโมเมนตัมเชิงมุมสูงและมีพลังงานสูง
- บอกถึงรูปรางของออร
งของออรบทิ ลั โดย l ขึ้นอยูก บั คา n
- มีคาตั้งแต 0 ถึง (n(n-1)
ถา
n=1,l=0
n = 2 , l = 0, 1
n = 3 , l = 0, 1, 2
l
0
1
2
3
4
5
orbital
s
p
d
f
g
h
=0
s-orbital
=1
p-orbital
=2
d-orbital
!"#$%!&'()(*+ l = 3
3. ( (m)
(Magnetic quantum number)
บงบอกถึงแนวการจัดตัวของออรบิทัล
m ขึ้นกับคา โดย m = -, 0, +
= 0 ml = 0
= 1 ml = -1, 0, 1
= 2 ml = -2, -1, 0, 1, 2
จํานวนคา m บงถึงจํานวนออรบิทัลในแตละชั้นยอยตามคา ที่ระบุ เชน
n = 2, = 1, m = -1, 0, 1
# 2 oVB 2p $G 3 
=0, m = 0
s-orbital 1 orbital
=1, m = -1, 0, 1
p-orbital 3 orbitals
=2, m = -2,-1,0,1,2
d-orbital 5 orbitals
=3, m = -3,-2,-1,0,1,2,3
f-orbital 7 orbitals
4.  (s)
(Spin quantum number)
%&( ,
 (
a((, CDZ& # G<
(
 (Z& # 2 B
&(„ &(„  G<"(% oVDV ↑ oV ↓ *+,-./0102+,1
1
s=+
2
หมุนตามทิศทาง
สนามแมเหล็กโลก
1
s= 2
หมุนสวนทางสนาม
แมเหล็กโลก
หมุนตามทิศทางของสนามแมเหล็กโลก s เปนบวก
หมุนสวนทางสนามแมเหล็ก s เปนลบ
n
l
Subshell
m
# orbitals
1
2
0
0
1
0
1
2
0
1
2
3
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
0
0
-1 0 +1
0
-1 0 +1
-2 -1 0 +1 +2
0
-1 0 +1
-2 -1 0 +1 +2
-3 -2 -1 0 +1
+2 +3
1
1
3
1
3
5
1
3
5
7
3
4
#
electron
2
2
6
2
6
10
2
6
10
14
ระดับพลังงาน
n=1
n=2
n
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
l
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
ml
0
0
0
0
+1
+1
0
0
-1
-1
s
+1/2
-1/2
+1/2
-1/2
+1/2
-1/2
+1/2
-1/2
+1/2
-1/2
ชนิดของออร
ของออรบทิ ลั
อิเล็กตรอน 2 ตัว
อยูใ นออร
นออรบทิ ลั s
อิเล็กตรอน 2 ตัว
อยูใ นออร
นออรบทิ ลั s
อิเล็กตรอน 6 ตัว
อยูใ นออร
นออรบทิ ลั p
$((V (n, , m, s) 
B#& $B&# 3 
พลังงานของออบิทอลกั
ทอลกับโครงสรางอะตอม
ทอล
(Orbital Energies and atomic structure)
n เพิ่มขึ้น พลังงานของ atomic orbitals จะมากขึ้น
K<L<M<N
หรือ 1 < 2 < 3 < 4
เพิ่มขึ้น พลังงานของ orbitals มากขึ้น
s<p<d<f
1s orbital พลังงานต่ําที่สุด
Relative sizes of the spherical 1s, 2s, and 3s
orbitals of hydrogen.
Diagram of principal energy levels 1 and 2.
การจัดตัวของ e- ในแตละ atomic orbital ของอะตอมใดๆ เรียกวา
"electron configuration"
เขียนดวยสัญลักษณ ที่ประกอบดวย ตัวเลขแทนคา n, ตัวอักษรแทน
(s, p, d, f,…) และ จํานวน e- ใน subshell นั้น เชน
/-3,45+6 e- 8
1
1s
9:60;1 n
/-3,=3
>?9,
>@
()
H
แทน 1 orbital
1s1 แสดงดวยเลขควอนตัมหลัก (1,0,0,+1/2)
สัญลักษณ
1s2
3p2
3d1
orbital diagram
1s2 เลขควอนตัม: 1, 0, 0, +1/2 และ 1, 0, 0, -1/2
3p2 เลขควอนตัม: 3, 1, +1, +1/2 และ 3, 1, 0, +1/2
$#
(electron configuration)
Aufbau Process :
บรรจุ e- ลงใน orbital ที่วางที่มี E ต่ําที่สุดจนเต็มกอน
เมือ่ orbital ที่มี E ต่ําเต็ม จากนั้น e- ที่เหลือจะเพิม่ เขาไปใน orbital
ที่มีพลังงานสูงขึ้นตามลําดับ
1H 1s1
2He 1s2
3Li 1s2 2s1
4Be 1s2 2s2
หลักของพอลิ (Pauli
(Pauli exclusion principle):
ในอะตอมเดียวกัน ไมมี 2 e- ใดๆ มีเลขควอนตัมทั้ง 4 (n, l, m, s)
เหมือนกัน
ถา 2 e- มี n, l, m เหมือนกัน s ตองตางกัน นั่นคือ ใน
orbital ที่มี 2 e- จะตองมี spin ตรงกันขาม
เชน
5B
10Ne
1s2 2s2 2p1
1s 2s 2p
ในการบรรจุ e ในแตละออร
ละออรบทิ ลั จะบรรจุไดอยางมากทีส่ ดุ 2 ตัว
↑
แทนอิเล็กตรอนทีม่ สป
ีสปนขึ้น (spin
(spin up)
up)
↓
แทนอิเล็กตรอนทีม่ สป
ีสปนลง (spin
(spin down)
down)
↑
แทนอิเล็กตรอนเดีย่ วในออร
วในออรบทิ ลั
↑↓ แทนอิเล็กตรอนคูในออร
นออรบทิ ลั
กฎของฮุ
กฎของฮุนด (Hund
(Hund’
Hund’s rule):
ใน subshell ที่มี orbital มากกวา 1 orbital (p, d, f,…)
electron จะจัดตัวแบบเดีย่ ว (unpaired e-) ที่มี spin เหมือนกัน
2 2s2 2p3
N
1s
7
2 2s2 2p5
F
1s
9
1s
2s
2p
1s
2s
2p
2 2s2 2p6
Ne
1s
10
1s
2s
2p
half-filled
full-filled
e- configuration แบบยอ
1
Na
[Ne]
3s
11
2 4p5
Br
[Ar]
4s
35
1s
2s
1s 2s 2p 3s 3p
4s 3d 4p 5s 4d
2p
5p 6s 4f 5d 6p
3s
3p
3d
4s
4p
4d
4f
5s
5p
5d
5f
6s
6p
6d
7s
7s 5f 4d 7p
• จํานวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแตละชั้น
= 2n2
• จํานวนออร
นวนออรบทิ ลั ในแตละชัน้ = n2
ตัวอยาง จงเขียน electron configuration และ orbital diagram ของ
phosphorus บอก quantum no. ทั้งหมดของ e- ตัวแรกและสุดทายที่
บรรจุ (เลขอะตอมของ P = 15)
Electron configuration :
Orbital diagram :
1s
2s
2p
3s
3p
เลขควอนตัมของ e- ตัวแรก: n = ....... , = ......, m = ....., s = ......
เลขควอนตัมของ e- ตัวสุดทาย: n = ...... , = ......, m = ....., s = ......
ตัวอยาง จงเขียน electron configuration และ orbital diagram ของ
Cr (24) และ Cu (29)
Electron configuration :
Orbital diagram :
1s
2s
2p
3s
3p
4s
3d
4s
3d
Electron configuration :
Orbital diagram :
1s
2s
2p
3s
3p
ตารางธาตุ ((The
The Periodic Table)
การจัดหมวดหมูของธาตุในตารางธาตุ ตาม e- configuration
shell นอกสุด = valence shell
 e- ใน shell นอกสุด = valence electron
ธาตุในหมู
หมูเ ดียวกัน: จํานวนของ valence e- เหมือนกัน สมบัติทางเคมี
ทางกายภาพ และการเกิดปฏิกิริยาเหมือนกันดวย
ธาตุในคาบ
คาบเดี
คาบ ยวกัน: valence e- จะอยูที่ valence shell เดียวกัน
2 2s2 2p6 3s1
Na
1s
11
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
K
1s
19
2 2s2 2p6 3s2 3p5
Cl
1s
17
2 2s2 2p6 3s2 3p5
Br
1s
35
Representative
ธาตุหมู
หมู IA & IIA e- ตัวสุดทายจะบรรจุลงใน s orbital
ธาตุหมู
หมู IIIA -VIIIA e- ตัวสุดทายจะบรรจุลงใน p orbital
Transition
หมู 3B3B-12B
e- ตัวสุดทายจะบรรจุลงใน d orbital
valence e- อยูใน ns และ (n-1)d
ธาตุทรานสิชันชั้นใน e- ตัวสุดทายจะบรรจุลงใน f orbital
valence e- อยูใ น (n-2)f, (n-1)d และ ns
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Fe
1s
26
2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d2
Zr
1s
40
ตัวอยาง จงเขียน electron configuration ของ Pb (82) และ Co (24)
Electron configuration :
Electron configuration :
การผันแปรของสมบัตติ า งๆ กับโครงสรางของอะตอม
n=4
n=3
n=2
n=1
p
แรงดึงดูดนอย
n
แรงดึงดูดมาก
ขนาดของอะตอม
หมูเ ดียวกัน
n เพิ่มจากบนลงลาง
e- ตัวสุดทายอยูหางนิวเคลียสมากขึ้น
ขนาดอะตอมเพิ่มขึ้นจากบนลงลาง
F < Cl < Br < I
11p
3p
3Li
:
1s2
2s1
2 2s2 2p6 3s1
Na
:
1s
11
คาบเดียวกัน
n เทากันแต nuclear charge เพิม่ ขึ้น จากซายไปขวา
พิจารณา effective nuclear charge (Zeff)
ขนาดอะตอมเล็กลงจากซายไปขวา e- วงนอกถูกดึงดูดไดดี
Li > Be > B > C > N > O
Zeff = เลขอะตอม - e- ชั้นใน
3p
2 2s1
Li
:
1s
3
5p
2 2s2 2p1
B
:
1s
5
7p
2 2s2 2p3
N
:
1s
7
ขนาดของไอออน
ไอออนบวก (cation)
cation)
อะตอมเสีย valence e- เกิดเปน Mn+
n ลดลง effective nuclear charge เพิ่มขึ้น
ขนาด Mn+ < M
ขนาดไอออน ใหญขนึ้ จากบนลงลางเล็กลงจากซายไปขวา
Li+ > Be2+ > B3+ > C4+
3p
3p
5p
3Li
:
1s2
2s1
+ : 1s2
Li
3
3+ : 1s2
B
5
ไอออนลบ (anion)
อะตอมรับ e- เกิดเปน Xn effective nuclear charge ลดลง
ขนาด Xn- > X
ขนาดไอออน ใหญขนึ้ จากบนลงลางเล็กลงจากซายไปขวา
N3- > O2- > F-
7p
8p
3- : 1s2 2s2 2p6
N
7
2- : 1s2 2s2 2p6
O
8
7p
2 2s2 2p3
N
:
1s
7
Isoelectronic species
อะตอมหรือไอออนทีม่ ี e configuration เหมือนกัน
ขนาดจะขึน้ กับ nuclear charge (nuclear charge เพิม่ ขนาดจะลดลง)
ขนาดจะลดลง)
N3-, O2-, F-, Ne,
Ne, Na+, Mg2+, Al3+
เปน isoelectronic กัน เพราะมี e configuration เหมือนกัน 1s22s22p6
P3-, S2-, Cl-, Ar,
Ar, K+, Ca2+, Sc3+
เปน isoelectronic กัน เพราะมี e configuration เปน [Ne]3s23p6
Relative atomic sizes for selected atoms.
Ionization Energy (IE)
• พลังงานที่ตองใชเพื่อดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมเพือ่ ใหเกิดไอออนบวก
1st Ionization Energy
2nd Ionization Energy
A(g) → A+(g) + eA+(g) → A2+(g) + e-
Electron Affinity (EA)
• พลังงานที่คายออกมาเมื
คายออกมา อ่ อะตอมในสภาวะแกสรับอิเล็กตรอนและ
คายออกมา
กลายเปนไอออนลบ
A(g) + e- → A-(g)
Electronegativity (EN)
• ความสามารถของอะตอมหรือโมเลกุลในการดึงดูดอิเล็กตรอนที่ใช
ในการสรางพันธะ
เล็ก
สูง
ขนาดอะตอม
IE, EA, EN
ใหญ
ต่ํา
Anion
Xn-
>
Neutral
atom
>
Cation
Mn+