ออร์บิทัล (orbital) ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 วิชาเคมี

ออร์บิทัล

“เกิดอาการเธอหมุนรอบฉัน ฉันหมุนรอบเธอ”

 

เปิดมาด้วยเพลงแบบนี้ไม่ได้อินซีรีส์เรื่องไหนหรอกนะ แต่เพราะอยากมาคุยกับเพื่อน ๆ เรื่องออร์บิทัลต่างหาก (แน่ะ ! ดูมีพิรุธ !) จากบทเรียนเรื่องแบบจำลองอะตอมของโบร์ เพื่อน ๆ หลายคนคงรู้แล้วว่าอิเล็กตรอนนั้นเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสของอะตอม และในระดับพลังงานหลักก็มีระดับพลังงานย่อยอยู่ด้วย บทเรียนจาก StartDee ในวันนี้เลยอยากพาเพื่อน ๆ ไปรู้จักกับเพื่อนใหม่ที่ชื่อว่า “ออร์บิทัล”

แนะนำน้อง “ออร์บิทัล”

อิเล็กตรอนถูกจัดเรียงอยู่ในระดับชั้นพลังงานต่าง ๆ เรียกว่าระดับพลังงานหลัก (shell) อย่างที่เรารู้กันว่าในระดับพลังงานหลักจะประกอบไปด้วยระดับพลังงานย่อย (sub-shell) ซึ่งระดับพลังงานย่อยนี้เองที่มีตัวละครลับนามว่า “ออร์บิทัล” อยู่

ออร์บิทัล (orbital) จะบ่งบอกถึงโอกาสที่จะพบอิเล็กตรอน เป็นสิ่งที่เรานิยามขึ้นมาเพื่อบรรจุจำนวนอิเล็กตรอน เขียนแทนด้วย สัญลักษณ์รูปสี่เหลี่ยมที่บรรจุอิเล็กตรอนจำนวน 0 - 2 ไว้ภายใน ออร์บิทัลนี้มีอยู่ด้วยกันถึง 5 กลุ่มหลัก ๆ โดยลักษณะรูปทรงและจำนวนของออร์บิทัล (จำนวนกล่อง) ในแต่ละชนิดจะแตกต่างกันไป ดังนี้

ชนิดของออร์บิทัล

รูปร่างของออร์บิทัล

นอกจากนี้ออร์บิทัลชนิดต่าง ๆ ยังบอกถึง ลักษณะวงโคจรของอิเล็กตรอน ด้วย สำหรับชั้นม.4 เราจะมาทำความรู้จักกับออร์บิทัลที่มีรูปทรงไม่ซับซ้อนอย่าง s orbital, p orbital และ d orbital กันก่อน โดย s orbital มีวงโคจรเป็นทรงกลมโดยที่ 2s จะเป็นวงที่ใหญ่กว่า 1s จะเห็นได้ว่า ระดับพลังงานหลักยิ่งมาก ขนาดของวงโคจรก็จะใหญ่ขึ้นไปด้วย เหมือนกับเวลาที่เรามีพลังงานมาก ๆ เราก็จะมีแรงวิ่งรอบสนามที่ใหญ่ขึ้น ใหญ่ขึ้น และใหญ่ขึ้นได้

 

รูปร่างของ s ออร์บิทัล

ส่วน p orbital มีลักษณะคล้ายดัมเบล โดยมีรูปแบบที่แตกต่างกันทั้งหมด 3 แบบตามแนวแกนได้แก่ px py และ pz

p ออร์บิทัล

และ d orbital ก็มีลักษณะที่แตกต่างกันทั้งหมด 5 แบบได้แก่ dyz , dxz , dxy , dx2y2 และ dz2

d ออร์บิทัล

สำหรับ f และ g orbital นั้นจะมีรูปร่างที่ซับซ้อนขึ้นตามจำนวนอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้น และถือว่าเกินหลักสูตรในระดับชั้นม.4 ไปแล้ว อดใจไว้เรียนต่อในอนาคตแล้วกันนะ !

Did you know ?

เพื่อน ๆ อาจสงสัยว่าตัวอักษร s, p, d, f และ g หมายความว่าอะไร จะว่าเรียงตามลำดับ a - z ก็ไม่ใช่ แถมยังไม่ได้สื่อถึง “รูปร่าง” ของออร์บิทัลเลยด้วย ที่จริงแล้วตัวอักษรเหล่านี้เกี่ยวข้องกับ เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุม (Orbital angular momentum quantum number: ℓ) เลขควอนตัมชนิดหนึ่งจากชุดเลขโมเมนตัมทั้ง 4 โดยเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมนี้เป็นเลขควอนตัมสำหรับวงโคจรของอะตอม ใช้บอก โมเมนตัมเชิงมุม ของ อิเล็กตรอน ขณะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส

เลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมมีความสัมพันธ์กับลักษณะของเส้นสเปกตรัม โดยตัวอักษร s, p, d, f นั้นสื่อถึงลักษณะของเส้นสเปกตรัมที่คมชัด (sharp: s) เส้นที่เข้มและน่าจะเป็นเส้นหลัก (principle: p) เส้นที่พร่ามัว ดูกระจัดกระจาย (diffuse: d) และเส้นที่พบได้ทั่วไป (fundamental: f) ซึ่งลักษณะเหล่านี้เป็นผลมาจากค่าของโมเมนตัมเชิงมุมของอิเล็กตรอนกันนิวเคลียสระหว่างที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่นั่นเอง จากการศึกษาสมบัติของอะตอมและธาตุต่าง ๆ จึงได้ความสัมพันธ์ของเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมและตัวอักษรแทนชื่อออร์บิทัลต่าง ๆ ดังนี้

School-of-you-main-KV_840x213__Draft01

เมื่อ ℓ = 0 อิเล็กตรอนนั้นจะอยู่ใน s orbital

เมื่อ ℓ = 1 อิเล็กตรอนนั้นจะอยู่ใน p orbital

เมื่อ ℓ = 2 อิเล็กตรอนนั้นจะอยู่ใน d orbital

เมื่อ ℓ = 3 อิเล็กตรอนนั้นจะอยู่ใน f orbital

และเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษา เมื่อเลขควอนตัมโมเมนตัมเชิงมุมมีค่าสูงกว่านี้จะใช้ตัวอักษรต่อจาก f ตามลำดับ a - z ไปเลย เช่น ใช้ตัวย่อ g เมื่อ ℓ = 4, ใช้ตัวย่อ h เมื่อ ℓ = 5 เป็นต้น (เกร็ดเล็กเกร็ดน้อยที่เราเอามาฝากเพื่อน ๆ อาจจะเกินหลักสูตรไปมาก แต่ก็จะทำให้เราเข้าใจที่มาของชื่อออร์บิทัลได้ดียิ่งขึ้นนะ)

จะเห็นได้ว่าบทเรียนนี้ไม่ได้มีแค่เรื่องของวิชาเคมีเท่านั้น แต่ยังนำหลักการของฟิสิกส์ควอนตัมมาใช้อธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นด้วย ส่วนเพื่อน ๆ คนไหนที่อยากทบทวนบทเรียนวิชาเคมีเรื่องอื่น ๆ ก็สามารถคลิกไปดูบทความออนไลน์วิชาเคมีเรื่องแบบจำลองอะตอมของทอมสันได้นะ ขอให้สนุกจ้า

Reference:

Senese, Fred. “What Do the Letters s, p, d, and f in the Orbital Names Stand for?” General Chemistry Online: FAQ: History of Chemistry: What Do the Letters s, p, d, and f in the Orbital Names Stand for?, 23 Feb. 2018, antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/history/faq/why-spdf.shtml.

ขอบคุณข้อมูลจาก

  1. ธวัลรัตน์ จันทร์ศิริ
  2. สุพาณี แสงสิน

 

แสดงความคิดเห็น