โครงสร้างอะตอม — โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน

โครงสร้างอะตอมอธิบายว่าอะตอมประกอบขึ้นจากโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนอย่างไร แบบสั้นที่สุดคือ โปรตอนใช้บอกชนิดของธาตุ นิวตรอนทำให้ไอโซโทปเปลี่ยนไป และอิเล็กตรอนทำให้ประจุเปลี่ยนไป

ถ้าคุณแยกหน้าที่ของอนุภาคทั้งสามนี้ออกจากกันให้ชัด คำถามพื้นฐานส่วนใหญ่จะเข้าใจได้ง่ายขึ้นมาก คุณจะบอกได้ว่าอะตอมคือธาตุอะไร เป็นไอโซโทปใด และเป็นอะตอมเป็นกลางหรือไอออน

ภาพรวมโครงสร้างอะตอม

อะตอมมีนิวเคลียสขนาดเล็กมากอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนอยู่ด้านนอก นิวเคลียสมีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม เพราะเป็นที่อยู่ของโปรตอนและนิวตรอน

สำหรับเคมีระดับเริ่มต้น ภาพที่สำคัญที่สุดคือแบบนี้:

• โปรตอนมีประจุบวกและอยู่ในนิวเคลียส
• นิวตรอนไม่มีประจุและอยู่ในนิวเคลียส
• อิเล็กตรอนมีประจุลบและอยู่ในบริเวณรอบนิวเคลียส

อนุภาคแต่ละชนิดเปลี่ยนอะไร

โปรตอน

โปรตอนอยู่ในนิวเคลียสและมีประจุบวก จำนวนโปรตอนคือเลขอะตอม และเลขนี้เป็นตัวกำหนดว่าธาตุนั้นคือธาตุอะไร

ถ้าอะตอมมีโปรตอน 8 ตัว มันคือออกซิเจน ถ้ามีโปรตอน 6 ตัว มันคือคาร์บอน ข้อนี้ยังคงเป็นจริงแม้ว่าจำนวนนิวตรอนจะเปลี่ยนไป

นิวตรอน

นิวตรอนก็อยู่ในนิวเคลียสเช่นกัน แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า นิวตรอนเพิ่มมวล และช่วยแยกไอโซโทปหนึ่งของธาตุออกจากอีกไอโซโทปหนึ่ง

การเปลี่ยนจำนวนนิวตรอนไม่ได้ทำให้เกิดธาตุใหม่ แต่ทำให้เกิดไอโซโทปที่ต่างออกไปของธาตุเดิม เช่น คาร์บอน-12 และคาร์บอน-14

อิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนมีประจุลบและอยู่ในบริเวณรอบนิวเคลียส ในเคมีระดับเริ่มต้น มักอธิบายว่าอิเล็กตรอนจัดเรียงอยู่ในชั้นอิเล็กตรอนหรือระดับพลังงาน

อิเล็กตรอนสำคัญมากต่อการเกิดพันธะและการเกิดไอออน ถ้าอะตอมเป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอนจะเท่ากับจำนวนโปรตอน ถ้าอะตอมเป็นไอออน ความเท่ากันนี้จะไม่เป็นจริงอีกต่อไป

เลขอะตอม กับ เลขมวล

คำสองคำนี้สับสนกันได้ง่าย เพราะทั้งคู่เป็นการนับจำนวน แต่ตอบคำถามคนละแบบ

เลขอะตอมบอกว่าอะตอมมีโปรตอนกี่ตัว:

$$\text{atomic number} = \text{number of protons}$$

เลขมวลบอกว่าในอะตอมหนึ่งอะตอมมีโปรตอนและนิวตรอนรวมกันกี่ตัว:

$$\text{mass number} = \text{protons} + \text{neutrons}$$

ดังนั้น ถ้ารู้เลขมวลของไอโซโทปหนึ่ง คุณสามารถหาจำนวนนิวตรอนได้จาก

$$\text{neutrons} = \text{mass number} - \text{atomic number}$$

การลบแบบนี้ใช้ได้เฉพาะเมื่อคุณใช้เลขมวลของไอโซโทปหนึ่งเท่านั้น เช่น คาร์บอน-12 หรือโซเดียม-23 ส่วนค่าทศนิยมในตารางธาตุนั้นต่างออกไป เพราะเป็นมวลอะตอมเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก ไม่ใช่เลขมวลของอะตอมเดี่ยวหนึ่งอะตอม

ตัวอย่างคำนวณ: คาร์บอน-12

คาร์บอน-12 เป็นตัวอย่างที่ดี เพราะจำนวนของอนุภาคแต่ละชนิดแสดงแนวคิดคนละอย่างอย่างชัดเจน

คาร์บอนมีเลขอะตอม 6 ดังนั้นอะตอมของคาร์บอนทุกอะตอมจึงมีโปรตอน 6 ตัว ชื่อคาร์บอน-12 บอกว่าเลขมวลคือ 12 ดังนั้น

$$\text{neutrons} = 12 - 6 = 6$$

ถ้าอะตอมเป็นกลาง มันก็จะมีอิเล็กตรอน 6 ตัวด้วย เพราะอะตอมเป็นกลางมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน

ดังนั้น อะตอมคาร์บอน-12 ที่เป็นกลางมี:

1. โปรตอน 6 ตัว
2. นิวตรอน 6 ตัว
3. อิเล็กตรอน 6 ตัว

ตัวอย่างเดียวนี้ช่วยให้แยกบทบาทของแต่ละอนุภาคได้ชัดเจน โปรตอน 6 ตัวทำให้มันเป็นคาร์บอน นิวตรอน 6 ตัวทำให้มันเป็นไอโซโทปคาร์บอน-12 และอิเล็กตรอน 6 ตัวทำให้มันเป็นกลาง ไม่ได้มีประจุ

ทำไมโครงสร้างอะตอมจึงสำคัญ

โครงสร้างอะตอมเป็นจุดเริ่มต้นของเคมีพื้นฐานหลายเรื่อง เมื่อคุณรู้ว่าอนุภาคใดเปลี่ยนอะไร หัวข้อถัดไปจะไม่ดูแยกขาดจากกันอีกต่อไป

• จำนวนโปรตอนเชื่อมโยงโดยตรงกับตารางธาตุ
• จำนวนอิเล็กตรอนช่วยอธิบายไอออนและพันธะเคมี
• จำนวนนิวตรอนช่วยอธิบายไอโซโทปและความแตกต่างของมวลอะตอม

นั่นจึงเป็นเหตุผลที่โครงสร้างอะตอมกลับมาเกี่ยวข้องอีกครั้งในเรื่องการจัดเรียงอิเล็กตรอน แนวโน้มในตารางธาตุ และพันธะเคมี

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม

คิดว่าเลขอะตอมกับเลขมวลเป็นสิ่งเดียวกัน

ทั้งสองอย่างใช้แทนกันไม่ได้ เลขอะตอมนับเฉพาะโปรตอน ส่วนเลขมวลนับโปรตอนรวมกับนิวตรอน

คิดว่านิวตรอนทำให้ธาตุเปลี่ยน

ไม่ใช่ อะตอมที่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันมักเป็นไอโซโทปที่ต่างกัน ไม่ใช่ธาตุคนละชนิด

ลืมเงื่อนไขของอะตอมเป็นกลาง

อิเล็กตรอนจะเท่ากับโปรตอนก็ต่อเมื่ออะตอมเป็นกลางเท่านั้น สำหรับไอออน จำนวนอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนไปตามประจุ

ใช้มวลอะตอมในตารางธาตุแทนเลขมวล

ในตารางธาตุมักแสดงมวลอะตอมเฉลี่ย คุณไม่ควรนำค่าทศนิยมนี้ไปลบกับเลขอะตอมแล้วคาดว่าจะได้จำนวนนิวตรอนของอะตอมเดี่ยวที่แน่นอนหนึ่งอะตอม

เมื่อไรที่คุณจะใช้โครงสร้างอะตอม

คุณจะใช้โครงสร้างอะตอมเมื่อเรียนเรื่อง:

1. ไอโซโทป
2. ไอออน
3. การจัดเรียงอิเล็กตรอน
4. แนวโน้มในตารางธาตุ
5. พันธะเคมี

นอกจากนี้ยังเป็นขั้นแรกของการอ่านสัญลักษณ์นิวไคลด์ และช่วยให้เข้าใจว่าทำไมอะตอมของธาตุเดียวกันจึงมีมวลต่างกันได้

ลองทำด้วยตัวเอง

ลองใช้โซเดียม-23 เป็นตัวอย่างต่อไป โซเดียมมีเลขอะตอม 11 ดังนั้นให้หาโปรตอนก่อน จากนั้นหานิวตรอน แล้วจึงหาอิเล็กตรอนสำหรับอะตอมเป็นกลาง

หลังจากนั้น ให้เปรียบเทียบโซเดียมที่เป็นกลางกับ $Na^+$ นี่เป็นวิธีง่าย ๆ ที่ช่วยให้เห็นว่าจำนวนโปรตอนใช้บอกชนิดของธาตุ ในขณะที่จำนวนอิเล็กตรอนเป็นตัวกำหนดประจุ