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