atomic structure and interatomic ... - …webstaff.kmutt.ac.th/~itasapun/phy321/บทที่...

ATOMIC STRUCTURE AND

INTERATOMIC BONDINGINTERATOMIC BONDING

INTRODUCTION

OATOMIC STRUCTURE Fundamental Concepts Electrons in Atoms

OBJECTIVE

Name the two atomic models cited, and Electrons in Atoms The Periodic Table

ATOMIC BONDING IN SOLIDS

,note the differences between them.

Describe the important quantum mechanical principle that relates to electron energies.

Bonding Forces and Energies Primary Interatomic Bonds Secondary Bonding or van der WaalsBonding

Schematically plot attractive, repulsive, and net energies versus interatomic separation for two atoms or ions.

Note on this plot the equilibrium separation Bonding Molecules Summary Important Terms and Concepts

p q pand the bonding energy.

Briefly describe ionic, covalent, metallic, hydrogen, and van der Waals bonds.

Note which materials exhibit each of these

Note which materials exhibit each of these bonding types.

ATOMIC STRUCTUREATOMIC STRUCTUREFUNDAMENTAL CONCEPTS

ในอะตอมประกอบดวย neutron และ proton รวมกนอย เรยกวา l l t

Particle symbol mass (kg) charge (c)

nucleus และ ม electron อยภายนอก

Particle symbol mass (kg) charge (c)

electron e- 9.11x10-31 -1.60x10-19e

Proton p+ 1.673x10-27 +1.60x10-19p

Neutron n0 1.675x10-270

ATOMIC NUMBER•Z คอ จานวน โปรตอน ในนวเคลยส (เรยกวาเลขอะตอม) ชนดของ

ATOMIC NUMBER•Z คอ จานวน โปรตอน ในนวเคลยส (เรยกวาเลขอะตอม) ชนดของ

ธาตถกจาแนกตามจานวนโปรตอนในอะตอม ธาตทเปนกลางจะม

จานวนโปรตอนเทากบจานวนอเลคตรอน เทากบเลขอะตอม เปน

ธาตทเกดขนเองตามธรรมชาต จะมเลขอะตอมเรมตงแต ธาตทเกดขนเองตามธรรมชาต จะมเลขอะตอมเรมตงแต

1 hydrogen – 92 Uranium y g

•Atomic mass (A) คอ จานวนผลรวมของ โปรตอนและ

นวตรอนภายใน นวเคลยส

A Z NA=Z+N

NOMENCULTURENOMENCULTUREธาตใดๆเขยนแทนไดดวย สญลกษณดงน

AAtomic mass symbol

ธาตใดๆเขยนแทนไดดวย สญลกษณดงน

ZA XAtomic Number

y

1 4 7 23 39 1081 2 3 11 19 47H, He, Li, Na , K , Ag

เชน

ธาตชนดเดยวกน จาเปนตองมจานวนโปรตอนเทากน แตจานวนนวตรอนอาจ

ตางกนได อะตอมของธาตบางตวจงมเลขมวลตางหนไป เรยกวาเปน Isotope

12 13 14C C Cของธาตนน เชน

6 6 6C , C , C

NOMENCULTURE

NOMENCULTURE

1. หนวยมวลอะตอม นาหนกของอเลคตรอนหรอโมเลกล ขอสารประกอบ อาจบอก

ไดเปนจานวน amu. ตอ อะตอม หรอมวลตอ หนงโมล

1 amu/atom = 1 g / mol

2. ปรมาณ 1 กรมโมล จะมจานวนอะตอมเทากบ 6.02x 10 23 อะตอม

3 โดย 1 amu เทากบ 1/12 เทาของไอโซโทบคารบอนทพบมากทสด ซงคอ คารบอน 3. โดย 1 amu. เทากบ 1/12 เทาของไอโซโทบคารบอนทพบมากทสด ซงคอ คารบอน

12 ซงม A =12.00000 ดงนน คามวลของ โปรตอน หรอ นวตรอน จะมากกวา 1 อย

เลกนอยเลกนอย

4. Atomic weight ของธาต คอ คาเฉลยแบบถวงนาหนกของ ไอโซโทปตางๆ

เกดขนตามธรรมชาต

DO YOU NOWDO YOU NOW STILL RECOGNIZE THEM?

DEFINE!TERMINOLOGY DEFINE!

Atomic number; ZAtomic number; Z

Atomic mass; A

Atomic mass unit; (amu.)

Isotope

Isobar

CONCEPT CHECK UP2.1 Why are the atomic weights of the elements

CONCEPT CHECK UP2.1 Why are the atomic weights of the elements

generally not integers ? Cite two reasons.

Answer

1. The atomic masses of the atoms generally are not integers (except for 12C), and

2. The atomic weight is taken as the weighted average of the atomic masses of an atom's naturally occurring isotopesisotopes

ELECTRONS IN ATOMSแบบ จาลองอะตอม (Atomic Model)

- แบบจาลองของโบร ใชเลขควอนตม n ในการอธบายวงโคจรของ e

1. มวงโคจรพเศษทอเลคตรอนสามารถโคจรรอบนวเคลยสอยไดโดย

ไมสญเสยพลงงานและในวงโคจรพเศษน อเลคตรอนจะมโมเมนตม

เชงมมคงทและจะมคาเปน จานวนเตมเทาของ2hπ

⎛ ⎞ =⎜ ⎟⎝ ⎠

h

2.อเลคตรอนจะรบหรอคายพลงงานกตอเมอมการเปลยนวงโคจรตาม ขอ

1 และพลงงานทรบเขาไปหรอคายออกมาจะอยในรปของคลน1 และพลงงานทรบเขาไปหรอคายออกมาจะอยในรปของคลน

แมเหลกไฟฟา โดยเปนไปตามความสมพนธดงน

∆E E E if∆E = E -E

BOHR ATOMorbital electrons: n = principal

BOHR ATOMn principal quantum number

n=3 2 1Adapted from Fig. 2.1, Callister 6eจานวน โปรตอน Callister 6e.จานวน โปรตอน

(ซงเทากบ อเลคตรอน กรณ

อะตอมเปนกลางทางไฟฟา )

Nucleus: Z = # protonsNucleus: Z # protons

= 1 for hydrogen to 94 for plutoniumN = # neutronsN = # neutrons

Atomic mass A ≈ Z + N

2จานวน โปรตอน รวมกบ นวตรอน

ใ โ ใ พลงงานและรศม ของอเลคตรอนในวงโคจรใด คอ

Schematic representation of the Bohr atom

มบางสงบางอยางทแบบจาลองของโบรไมสามารถอธบายไดวาทาไม

จงเปนเชนนน

• เหตใดอเลคตรอนจงเคลอนทเปนวงกลมอยไดโดยไมมการสญเสย• เหตใดอเลคตรอนจงเคลอนทเปนวงกลมอยไดโดยไมมการสญเสย

พลงงาน เนองจากมความเรงขณะเคลอนทนน อเลคตรอนควร

ปลดปลอยพลงงานออกมาตอเนอง จนหมด ตามหลกกลศาสตร

• มการ split ของพลงงานของอเลคตรอนในอะตอม เมออะตอมอย มการ split ของพลงงานของอเลคตรอนในอะตอม เมออะตอมอย

ในสนามแมเหลกภายนอก

ใ จงมการพฒนาแบบจาลองใหมเรยกวา แบบจาลองทางกลศาสตรคลน

(Wave Mechanical model) โดย Schrödinger( ) g

แบบจาลองทางกลศาสตรคลน : ใชเลขควอนตมสามชนดในการใชเลขควอนตมสามชนดในการ

อธบายการกระจายของ อธบายการกระจายของ ee-- ในอะตอม คอ ในอะตอม คอ n, l, mn, l, m

มสมมตฐานดงนมสมมตฐานดงน

1 ป ไ 1. อเลคตรอนเปนไดทงอนภาคและคลนเวลาเดยวกน

ไ ไ ไ ป2.ตาแหนงของอนภาคไมแนนอน ไมไดเคลอนทเปน

วงกลมรอบนวเคลยสจะบอกไดเพยง โอกาสทจะพบวงกลมรอบนวเคลยสจะบอกไดเพยง โอกาสทจะพบ

อเลกตรอนในบรเวณตางๆเทานน

Comparison of) B h d(a) Bohr and

(b) Wave mechanical atom models in terms of electron distributionterms of electron distribution.

(a) The first three electron energy states for the Bohr hydrogen atom.b) Electron energ states for the first three shells of the a e(b) Electron energy states for the first three shells of the wave-

mechanical hydrogen atom.

QUANTUM NUMBERQUANTUM NUMBER

Using wave mechanics, every electron in an atom is characterized by four parameters called quantum numbers. The size shape and spatial orientation of an electron’sThe size, shape, and spatial orientation of an electron sprobability density are specified by three of these quantum numbersnumbers

1. Principal quantum number, n2. Second quantum number, l3 Thi d t b3. Third quantum number, ml.

4. The fourth quantum number, s

Principle quantum number (n)

( h ll )

Principle quantum number (n)

ระดบขนพลงงานหลก ( shell ) ถกแสดงดวยเลขควอนตม

หลก( principle quantum number ) n เรมจาก 1, 2,3..... ( p c p e qua tu u be ) , ,3.....

แทนไดดวยอกษร K,L M, N ……..

จะบอกถงระยะหางของอเลคตรอน จากนวเคลยส

Orbital quantum number (l)

ป

Orbital quantum number (l)

l บงบอกถงระดบพลงงานยอย และรปรางของออบทล

l = 0 1 2 n 1 มความสมพนธกบโมเมนตม l = 0, 1, 2 , … , n-1 มความสมพนธกบโมเมนตม

เชงมมของอเลกตรอน แสดงดวยตวอกษร ประจา เชงมมของอเลกตรอน แสดงดวยตวอกษร ประจา

แตละคา l ดงน

l 00 11 22 33 44 55

orbitalorbital s p d fs p d f gg hh

การเคลอนทของอเลกตรอนรอบนวเคลยสเหมอนกระแสไฟฟา การเคลอนทของอเลกตรอนรอบนวเคลยสเหมอนกระแสไฟฟา

(กระแสอเลกตรอน) วงเปนวงซงจะทาใหเกดสนามแมเหลกเหนยวนา

ใ ป ขน ดงนนอเลกตรอนทอยในอะตอมจะมสมบตของความเปนแมเหลก

และมพลงงานเปนชดๆ โดยแตละชดจะมพลงงานเทากนแตจะม ๆ

พลงงานแตกตางกน ถาอยในสนามแมเหลกภายนอก

ทศของกระแสอเลคตรอน

ทศของกระแสไฟฟาทศของกระแสไฟฟา

MAGNETIC QUANTUM NUMBER;QUANTUM NUMBER; (m) MAGNETIC QUANTUM NUMBER; QUANTUM NUMBER; (m)

การจดเรยงตวของออบทล โดยคา คา m m ขนกบ ขนกบ ll

m = 0, ±1, ± 2, …, ± l (-l ถง+l = 2l + 1 จานวน) , , , , ( )

จานวนคาของ m แสดงจานวนออรบทลสาหรบ l แตละคา

l = 0 , m = 0 s ม 1 ออบทล

l = 1 , m = -1, 0, 1 p ม 3 ออบทล

l = 2 m = 2 1 0 1 2 d ม 5 ออบทลl = 2 , m = -2, -1, 0, 1, 2 d ม 5 ออบทล

จานวนอเลคตรอนทมไดใน แตละ ( shell ) ท n ใดๆ คอ 2n2( ) ๆ

จานวน b h ll (ℓ) ในแตละ h ll ทมไดคอ (n 1) เชน จานวน subshell (ℓ) ในแตละ shell ทมไดคอ (n-1) เชน

ใ ℓ ใน shell ท n = 1 จะม subshell (ℓ) 0 คอ s ม 1 orbital

ใน shell ท n = 2 จะม subshell (ℓ ) 0 , 1 คอ s และ p

และ ม 4 bit l และ ม 4 orbital

ใน shell ท n = 3 จะม subshell ( ℓ ) 0 , 1,2 คอ s ,p และ d ใน shell ท n 3 จะม subshell ( ℓ ) 0 , 1,2 คอ s ,p และ d

และ ม 9 orbital

ในแตละ orbital มอเลคตรอนได 2 ตว

Electron Spin Quantum Number (s)Electron Spin Quantum Number (s)

NN NNe- spin รอบแกนผานจด

ศนยกลาง ทาให เกด

NNee-- ee--

NN

สนามแมเหลก SS SS

Counter Counter clockwiseclockwise Cl k i i Cl k i i s = s = --11//22s = +s = +11//22

SS

Counter Counter -- clockwiseclockwisespin (high energy)spin (high energy)

Clockwise spin Clockwise spin (low energy)(low energy)

S ไมมผลตอพลงงาน ขนาด รปรางหรอการจดเรยงตวของ ออรบทล

ใ แตแสดงการจดเรยง อเลคตรอนในออรบทล

ParamagneticH Paramagnetic 1H 1s

Diamagnetic He Diamagnetic 2He

1s2 1s

P i3Li 1s2 2s

Paramagnetic 1s 2s

Paired electron Unpaired electron

หลกกดกนเพาล หลกกดกนเพาล((Pauli Exclusion Principle)Pauli Exclusion Principle)

ไ ใ ใ 1. หลกนกลาววาไมมอเลกตรอนคหนงคใดในอะตอมเดยวกน ทมเลขควอนตม

ทงสเหมอนกนทกประการ

2. ในแตละออบทล มอเลกตรอนไดอยางมากทสด 2 ตว โดยทแตละตวตองม

สปนแตกตางตรงขามกน สปนแตกตางตรงขามกน

3. ถา 2 e- ในอะตอม (อเลกตรอนคหนง) มคา n, l, m เหมอนกน (อยใน atomic

orbital เดยวกน) จะตองมคา s ตางกน นนคออาจม n l m เหมอนกนหมด orbital เดยวกน) จะตองมคา s ตางกน นนคออาจม n, l, m เหมอนกนหมด

(ซงแปลวาอยในออรบทลเดยวกน) ไดตราบเทาทเลขควอนตมสปนตางกน

หลกเกณฑฮนด หลกเกณฑฮนด (Hund ’s Rule)(Hund ’s Rule) หลกเกณฑฮนด หลกเกณฑฮนด (Hund s Rule)(Hund s Rule)

การจดเรยง อเลคตรอน ในออบทลทเสถยรทสด คอ การ

จดเรยงแบบทมจานวน spin ในทศทางเดยวกนมากทสดจดเรยงแบบทมจานวน spin ในทศทางเดยวกนมากทสด

ดงตวอยาง

12 C 2 2 2

หรอ C

126C : Electron Configuration 1s2 2s2 2p2

paramagneticหรอ C 1s2 2s2 2p2

paramagnetic

ระดบพลงงานของออบทลอะตอม

• ระดบพลงงานของออบทลอะตอ เพมตามคา n

ระดบพลงงานของออบทลอะตอม

• ระดบพลงงานของออบทลอะตอ เพมตามคา n

กรณของ คา n เดยวกน

• ระดบพลงงานของออบทลอะตอม ขนกบคา l ดวย

เชน n = 3 พลงงานจะเรยงจากนอยไปมากดงน 3s < 3p < 3d

สาหรบออบทล p จะม 3 ออรบทล คอ px, py และ pz มระดบพลงงานเทากน

ออรบทล d จะม 5 ออรบทล คอ dx2- dy2, d z2, dxy, dyz, dxz มระดบพลงงานเทากน

เรยก ปรากฏการณทหลายฟงกชนคลนมระดบพลงงานเทากนวา degeneracy

- l = 0 (ออรบทล s) m = 0 ไมม degeneracy l 0 (ออรบทล s) ml 0 ไมม degeneracy

- l = 1 (ออรบทล p) ml = +1, 0, -1 ไมม degeneracy

- l = 2 (ออรบทล d) ml = +2, +1, 0, -1, -2 ไมม degeneracy

• เมอระดบพลงงานหลกมคาเทากน ระดบพลงงานยอยจะเรยงกนจากนอยไปมาก คอ s < p < d < f

เชน ในระดบ n = 3 3s < 3p < 3d เมอ n = 1 และ 2

ป ไป ไป • การเรยงของระดบพลงงานจะเปนไปตามระดบพลงงานหลก เมอ n มคาสงขนไป (ตงแต n = 3) จะมการซอน

กนของระดบยอย เชน 4s มระดบพลงงานตากวา 3d และ 5s ตากวา 4d เปนตน

• เมอ n มคาสงขนๆ ความแตกตางระหวางพลงงานในระดบยอยตางๆ จะยงนอยลงๆ

Aufbau Principleหลกอาฟบาว ในการจดเรยงอเลกตรอนในอะตอม สรปไดดงน

p

1.ใชหลกของเพาล ในการบรรจอเลกตรอน คอ ในแตละออรบทลจะบรรจอเลกตรอนไดอยางมากทสด 2 ตว (มสปนตางกน)

ใชเครองหมาย ↑ แทนอเลกตรอนทมสปนขน (spin up) ใชเครองหมาย ↓ แทนอเลกตรอนทมสปนลง (spin down)

ใชเครองหมาย ↑หรอ ↓ แทนอเลกตรอนเดยวในออบทล

ใ ↑ ↓ ใ ใชเครองหมาย ↑ ↓ แทนอเลกตรอนคในออบทล

2 บรรจอเลกตรอนในออบทลทมระดบพลงงานตาสดทยงวางกอน 2.บรรจอเลกตรอนในออบทลทมระดบพลงงานตาสดทยงวางกอน (เรยงลาดบออบทลตามลกศรในรป) จนครบจานวนอเลกตรอนทงหมดในอะตอมนน การจดเรยงอเลกตรอนแบบนจะทาใหอะตอมมสถานะเสถยรทสดเพราะ

พลงงานรวมทงหมดของอะตอมมคาตาสด

Aufbau Principle3.การบรรจอเลกตรอนในออบทลทมระดบพลงงานเทากนเชนออรบทล d จะใช กฎของฮนด

p

“การบรรจอเลกตรอนในออรบทลทมระดบพลงงานเทากน จะบรรจในลกษณะททาใหมอเลกตรอนเดยวมากทสด”

4.การบรรจอเลกตรอนททกๆออรบทล มระดบพลงงานเปน degenerate (ระดบพลงงานเทากน) ทกออรบทลอาจมอเลกตรอนอยเตม (2 อเลกตรอนตอ 1 ออรบทล) หรอมอเลกตรอนอยเพยงครง (1 1 ) เดยว (1 อเลกตรอนตอ 1 ออรบทล) เชน

Ne : 1s2, 2s2, 2p6 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ เรยกวา การบรรจเตม, , p

N : 1s2, 2s2, 2p3 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ เรยกวา การบรรจครง

โ โครงแบบอเลกตรอนแบบบรรจเตมจะเสถยรกวาแบบบรรจครงและแบบบรรจครงกจะเสถยรกวาแบบอนๆเชน

2p6 เสถยรกวา 2p3 หรอ 2p3 เสถยรกวา 2p4

สถานะของพลงงาน ของอเลคตรอน

(ELECTRON ENERGY STATES)

• have discrete energy states• tend to occupy lowest available energy state.

สาหรบอเลคตรอนแลว...

tend to occupy lowest available energy state.n

erg

y

n=4 4s4p

3d

sin

g e

n

n=3 3s3p

4s

nc

rea

s

1

n=2

12s

2p

Adapted from Fig 2 5 In n=1 1s Adapted from Fig. 2.5, Callister 6e.

3

32

4p3d

p

4sn = 4

3p

3s

n = 3

3s

n = 2 2pn 2

2s

p

1sn = 1

แสดงระดบพลงงานของ อเลคตรอนในอะตอม

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f 5g

6s 6p 6d 6f 6g 6h

77s

การ fill electron ใน orbital เรยงตามระดบของพลงงานจากนอยไปมาก

STABLE ELECTRON CONFIGURATIONS

h l t d b h ll

Stable electron configurations...STABLE ELECTRON CONFIGURATIONS

• have complete s and p subshells• tend to be unreactive.

Z Element Configuration

2 He 1s2 2 He 1s2

10 Ne 1s22s22p6

18 Ar 1s22s22p63s23p6

Adapted from Table 2.2, Callister 6e.

18 Ar 1s 2s 2p 3s 3p

36 Kr 1s22s22p63s23p63d104s24p6

4

ตวอยางการเรยงตวของอเลคตรอนใน ธาตตางๆ

• พบวา ธาตสวนมาก : Electron configuration not stable.Element Atomic # Electron configuration Hydrogen Helium Lithium B lli

1 2 3 4

1s1 1s2 (stable) 1s22s1 1 22 2 Beryllium

Boron Carbon

4 5 6

1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2

Adapted from Table 2.2, Callister 6e.

... Neon Sodium Magnesium

10 11 12

... 1s22s22p6 (stable) 1s22s22p63s1 1s22s22p63s2 Magnesium

Aluminum ... Argon

12 13

18

p1s22s22p63s23p1 ... 1s22s22p63s23p6 (stable)

• Why? Valence (outer) shell usually not filled completely

g... Krypton

... 36

... 1s22s22p63s23p63d104s246 (stable)

5

• Why? Valence (outer) shell usually not filled completely.

The complete set of quantum numbers ของ อเลคตรอนทง 11 ตว

ใ โ ©

2

ในอะตอมของธาต โซเดยม 2003 B

rooks/Cole Pubblishing / Thom

son Learning™

แบบทดสอบ

จงเขยน electron configuration ของธาตตอไปน

แบบทดสอบ

จงเขยน electron configuration ของธาตตอไปน

17Cl

Fe26Fe

Cu29Cu

62Sm (Samarium)

2( ) Al i f il d f t i2(a) Aluminum foil used for storing food weighs about 0.3 g per square inch. g g p qHow many atoms of aluminum are contained in this sample of foil?contained in this sample of foil?

2 (b) Using the densities and atomic weights ( ) g ggiven in periodic table, calculate and compare the number of atoms per cubic centimeter inthe number of atoms per cubic centimeter in (a) lead and (b) lithium.

3 Indium which has an atomic number of 493. Indium, which has an atomic number of 49, contains no electrons in its 4f energy level. Based only on this information what must beBased only on this information, what must be the valence of indium?

Periodic table คอ ตารางทสรางขน เพอแบงธาตทมสมบตเหมอนกน

ป ใ ออกเปนหมวดหม เพอใหงายแกการศกษา การ

จดเรยงธาตตางๆ เปนหมวดหมนนจดตามเลขอะตอม

โป หรอจานวนโปรตอน พบวาธาตจะมคณสมบต

คลายคลงกนเปนชวงๆ

Henry Moseley ไดตงกฎพรออดกวา “สมบตของธาตตางๆขนอยกบเลขอะตอม และขนอยกบการ

จดเรยงอเลคตรอนของธาตเหลานน”

ธาตทงหมดถกแบงออกเปน หม ( group ) และคาบ ธาตทงหมดถกแบงออกเปน หม ( group ) และคาบ ( period)ธาตทอยในแนวดงเดยวกน เรยกวา อยในหมเดยวกน

Henry Moseley at work. This rare image is the only non-

portrait photograph known

ธาตทอยในแนวนอนเดยวกน เรยกวา อยในคาบเดยวportrait photograph known of the physicist.

ทมา http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Moseley

Periodic table

วาเลนซอเลคตรอน ( Valence electron )คอจานวนอเลคตรอนวงนอกสด ทสาคญมากเนองจากเปนตวทาให

เกดพนธะระหวางอะตอมและโมเลกล มผลตอสมบตทางเคม และทางเกดพนธะระหวางอะตอมและโมเลกล มผลตอสมบตทางเคม และทาง

กายภาพของสาร

Electronegativityเปนคาทใชวดคณสมบตของอะตอม ในการดงเอาอเลคตรอนจากอะตอม

อน เมอมการทาปฏกรยาเคมกน Pauling's scale (โดย Linus Pauling ในอน เมอมการทาปฏกรยาเคมกน Pauling's scale (โดย Linus Pauling ใน

ป 1932 ) กาหนดใหธาต fluorine เปนธาตทม elctrongativity มากทสด

มคา = 4 และ Francium เปนธาตทมคา elctrongativity นอยทสด = 0.7

สวนธาตอน กจะถกจดใหมคา lctrongativity อยระหวางน สวนธาตอน กจะถกจดใหมคา lctrongativity อยระหวางน

Electro negativity เปนคาทบอกถง ความสามารถของการดงดดเอา

ใ ป อเลคตรอน ของอะตอมในปฏกรยาเคม ซงมความสมพนธกบ คา ionization

energies และ atomoic number ของอะตอมนนๆดวย

• อเลคตรอนทมคา ionization energies ตา ซงหมายถง นวเคลยส ของธาตนน

โ มแรงดงดดวาเลนซอเลคตรอนนอย จงมโอกาศทจะสญเสยอเลคตรอน หรอ

จายอเลคตรอนใหกบอะตอมอนไดงาย กจะมคา electro negativity ตาดวย

• ถาอะตอมมคา atomic number มากขน จะเปนอะตอมทมขนาดใหญขน คา

l i i ป electro negativity จะลดลง เปนผลเนองมาจากระยะหางระหวางวาเลนซ

อเลคตรอนและนวเคลยสมคามากขน แรงดงดดใหอเลคตรอนอยกบอะตอม

กจะนอยลง มโอกาสในการเสยอเลคตรอนใหกบอะตอมอนไดงายคา

electro negativity จงตา

© 20003 B

rooks/Cole Publishing / Thom

son Leaarning™

จากรปแสดงคา electro negativities ของธาตบางธาต สมพนธกบ

group ในตารางธาต

The Electro negativity ของธาตตางๆ

The electronegativity values for the elements. (Adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition. Copyright 1939 and 1940, 3rd edition copyright 1960, by Cornell University. Used by permission of the publisher, Cornell University Press.)

ELECTRONEGATIVITY• Ranges from 0.7 to 4.0,• Large values: tendency to acquire electrons.

He -

N F Li

H 2.1

Be

Large values: tendency to acquire electrons.

Ne -

Ar -

Kr

F 4.0

Cl 3.0

Br

Li 1.0

Na 0.9

K

Be 1.5

Mg 1.2

Ca Ti Cr Fe Ni Zn As Kr -

Xe -

Rn

Br 2.8

I 2.5

At

K 0.8

Rb 0.8

Cs

Ca 1.0

Sr 1.0

Ba

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

Rn -

At 2.2

Cs 0.7

Fr 0.7

Ba 0.9

Ra 0.9

Smaller electronegativity Larger electronegativityAd t d f Fi 2 7 C lli t 6 (Fi 2 7 i d t d f Li P li Th N t f th

7

Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by CornellUniversity.

ตารางธาต THE PERIODIC TABLE

• Columns: Similar Valence Structure

ase

s 1

e

e

ne

rt g

ae

pt

1e

ep

t 2

e

ve u

p u

p 2

e3

e

Metal

He

Ne

ina

cc

ea

cc

e

gi

giv

eve

up

3

F Li Be

Nonmetal

Intermediate

H

O Ne

Ar

Kr

giv

F Li Be

Na Cl

Br

O

S Mg

Ca K Sc Se

Adapted from Fig. 2.6, Callister 6e.

Xe

Rn

I

At

Sr

Ba

Ra

Rb

Cs

Fr

Y Te

Po

Electropositive elements:Readily give up electrons

Electronegative elements:Readily acquire electrons

Ra Fr

6

Readily give up electronsto become + ions.

Readily acquire electronsto become - ions.

Example C i El t ti iti

Using the electronic structures, compare the

Comparing Electronegativities

electronegativities of calcium and bromine.

solution

The electronic structures, obtained from Appendix C, are:

Ca: 1s22s22p63s23p6 4s2

Br: 1s22s22p63s23p63d10 4s24p5

Calcium has two electrons in its outer 4s orbital and bromine has seven electrons in its outer 4s4p orbital. Calcium, with an electronegativity of 1.0, tends to give up electrons and has low electronegativity but bromine with an electronegativity of 2 8 electronegativity, but bromine, with an electronegativity of 2.8, tends to accept electrons and is strongly electronegative. This difference in electronegativity values suggests that these elements may react readily to form a compoundelements may react readily to form a compound.

IONIC BONDING• Occurs between + and - ions.• Requires electron transfer.q• Large difference in electronegativity required.• Example: NaCl

Na (metal) Cl (nonmetal)

p

( )unstable

( )unstable

electron

+ - Na (cation) t bl

Cl (anion) Coulombic Attraction

stable stable

8

EXAMPLES: IONIC BONDING• Predominant bonding in Ceramics

NaCl

He H

MgO

CaF2

NaCl

-

Ne -

Ar

F 4.0

Cl 3 0

Li 1.0

Na 0 9

2.1Be 1.5

Mg 1 2

CsClCaF2

O 3.5

-

Kr -

Xe -

3.0

Br 2.8

I 2 5

0.9

K 0.8

Rb 0 8

1.2

Ca 1.0

Sr 1 0

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

-

Rn -

2.5

At 2.2

0.8

Cs 0.7

Fr 0 7

1.0

Ba 0.9

Ra 0 9

Give up electrons Acquire electrons

0.7 0.9

Ad t d f Fi 2 7 C lli t 6 (Fi 2 7 i d t d f Li P li Th N t f th

9

Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by CornellUniversity.

COVALENT BONDING• Requires shared electrons E l CH• Example: CH4

C: has 4 valence e,d 4

shared electrons from carbon atomH

CH4needs 4 more

H: has 1 valence e,d 1

HH C

needs 1 more

Electronegativitiesshared electrons from hydrogen

tH

are comparable. atoms

Adapted from Fig. 2.10, Callister 6e.

10

EXAMPLES: COVALENT BONDING

C(di d)

H2OH2 F2

mn

IVA

He -

Ne F Li

H 2.1

Be SiC

C(diamond)

C

Cl2

2

O

co

lum

-

Ar -

Kr

4.0

Cl 3.0

Br 2 8

1.0

Na 0.9

K 0 8

1.5

Mg 1.2

Ca 1 0

Ti 1 5

Cr 1 6

Fe 1 8

Ni 1 8

Zn 1 8

As 2 0

2.5

Si 1.8

Ga 1 6

Ge 1 8

2.0

-

Xe -

Rn

2.8

I 2.5

At 2 2

0.8

Rb 0.8

Cs 0 7

1.0

Sr 1.0

Ba 0 9

1.5 1.6 1.8 1.8 1.8 2.01.6 1.8

Sn 1.8Pb 1 8 -2.20.7

Fr 0.7

0.9

Ra 0.9 GaAs

1.8

Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 isadapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.

• Molecules with nonmetals• Molecules with metals and nonmetals El t l lid (RHS f P i di T bl )

11

• Elemental solids (RHS of Periodic Table)• Compound solids (about column IVA)

METALLIC BONDING• Arises from a sea of donated valence electrons

(1 2 or 3 from each atom)(1, 2, or 3 from each atom).

+ + +

+ + +

+ + +Ada ted f Fi 2 11 Calli te 6e

• Primary bond for metals and their alloys

Adapted from Fig. 2.11, Callister 6e.

12

y y

SECONDARY BONDINGArises from interaction between dipoles• Fluctuating dipoles Fluctuating dipoles

H2 H2ex: liquid H2asymmetric electron

clouds

HH HHsecondary

bonding

+ - + -secondary

bondingAdapted from Fig 2 13 Callister 6e

• Permanent dipoles-molecule inducedec da

bondingAdapted from Fig. 2.13, Callister 6e.

Adapted from Fig 2 14

+ - secondary bonding + -

H Cl H Clsecondary

-general case:

li id HCl

Adapted from Fig. 2.14,Callister 6e.

Adapted from Fig. 2.14,H Cl H Clsecondary

bonding

seconda

-ex: liquid HCl

-ex: polymer

Adapted from Fig. 2.14,Callister 6e.

13

condary bonding-ex: polymer

SUMMARY: BONDINGType Bond Energy Comments

Ionic Large!

V i bl

Nondirectional (ceramics)

Di ti lCovalent

Variablelarge-Diamondsmall-Bismuth

Directionalsemiconductors, ceramics

polymer chains)small Bismuth

Variable

polymer chains)

Metallic large-Tungstensmall-Mercury

Nondirectional (metals)

DirectionalSecondary smallest

Directionalinter-chain (polymer)

inter-molecular

14

PROPERTIES FROM BONDING: TM• Bond length, r • Melting Temperature, Tm

O S O O G M

F F

r Energy (r)

• Bond energy, Eo

ro

Energy (r)r

smaller Tm

ro r

unstretched length larger Tm

Eo=

“bond energy”Tm is larger if Eo is larger.

15

PROPERTIES FROM BONDING: E• Elastic modulus, E cross

sectional A

length, Lo Elastic modulus area Ao

ΔL

g , o

undeformed ΔL F Ao

= E Lo

E t t

F deformed Ao Lo

• E ~ curvature at roEnergy

r ro unstretched length

E is larger if Eo is larger.r

smaller Elastic Modulus

16larger Elastic Modulus

PROPERTIES FROM BONDING: α• Coefficient of thermal expansion, α

length, Lo coeff. thermal expansion

ΔL

g , o

unheated, T1

= α (T2-T1) ΔL L

coeff. thermal expansion

heated, T2 ( 2 1)

Lo

• α ~ symmetry at ro

Energy

α is larger if Eo is smaller.r ro

α is larger if Eo is smaller.

larger α

17

smaller α

SUMMARY: PRIMARY BONDSCeramics(Ionic & covalent bonding):

Large bond energylarge Tm( g)large Esmall α

Metals(Metallic bonding):

Variable bond energymoderate Tm

moderate E

P l

moderate Emoderate α

Di ti l P tiPolymers(Covalent & Secondary):

Directional PropertiesSecondary bonding dominates

small Tsecondary bonding

small Elarge α

18

Problem

1.Bonding in the intermetallic compoundNi3Al is predominantly metallic. Explain whythere will be little, if any, ionic bonding, y, gcomponent. The electronegativity of nickel isabout 1 8about 1.8.

Problem

2 Aluminum has a density of 2 7 g/cm3 Suppose you2. Aluminum has a density of 2.7 g/cm3. Suppose youwould like to produce a composite material based onaluminum having a density of 1 5 g/cm3 Design aaluminum having a density of 1.5 g/cm3. Design amaterial that would have this density. Wouldintroducing beads of polyethylene with a density ofintroducing beads of polyethylene, with a density of0.95 g/cm3, into the aluminum be a likely possibility?ExplainExplain.

Problem

3.You would like to be able to physically separate differentt i l i li l t D ib iblmaterials in a scrap recycling plant. Describe some possible

methods that might be used to separate materials such aspolymers aluminum alloys and steels from one anotherpolymers, aluminum alloys, and steels from one another.

Problem

4.You would like to be able to identify different materialswithout resorting to chemical analysis or lengthy testingwithout resorting to chemical analysis or lengthy testingprocedures. Describe some possible testing and sortingtechniques you might be able to use based on the physicaltechniques you might be able to use based on the physicalproperties of materials.