หน่วยที่ 2: องค์ประกอบของสสาร (Composition of Matter)

องค์ประกอบของสสารเป็นหัวใจสำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับเคมี สสารทุกชนิดบนโลกนี้ถูกสร้างขึ้นจากหน่วยพื้นฐานเล็ก ๆ ที่เรียกว่า "อะตอม" และเมื่ออะตอมหลาย ๆ อะตอมมารวมกันก็จะเกิดเป็น "โมเลกุล" โครงสร้างของอะตอมและวิธีการที่อะตอมเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างสารประกอบต่าง ๆ เป็นหัวข้อสำคัญที่จะทำให้เราเข้าใจเคมีในระดับที่ลึกขึ้น

2.1 อะตอมและโมเลกุล (Atoms and Molecules)

อะตอม (Atoms) และโมเลกุล (Molecules) เป็นหน่วยพื้นฐานของสสารที่ประกอบขึ้นเป็นทุกสิ่งในจักรวาล การทำความเข้าใจโครงสร้างและสมบัติของอะตอมและโมเลกุลเป็นสิ่งสำคัญในการศึกษาวิชาเคมี เพราะอะตอมและโมเลกุลเป็นรากฐานของปฏิกิริยาเคมีทั้งหมด

อะตอม (Atoms)

อะตอมเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของธาตุที่ยังคงสมบัติทางเคมีของธาตุนั้นไว้ อะตอมประกอบด้วยสามอนุภาคหลัก ได้แก่ โปรตอน (Protons), นิวตรอน (Neutrons), และอิเล็กตรอน (Electrons)

• โปรตอน (Protons) เป็นอนุภาคที่มีประจุบวก (\(+1\)) และอยู่ในนิวเคลียส (Nucleus) ของอะตอม โปรตอนกำหนดลักษณะทางเคมีของธาตุ โดยจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเรียกว่า "เลขอะตอม" (Atomic Number) ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกธาตุนั้น เช่น ธาตุไฮโดรเจนมีเลขอะตอมเท่ากับ 1 แสดงว่ามีโปรตอน 1 ตัวในนิวเคลียส
• นิวตรอน (Neutrons) เป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ (เป็นกลาง) และอยู่ในนิวเคลียสเช่นกัน นิวตรอนช่วยเพิ่มความเสถียรของนิวเคลียส อะตอมของธาตุเดียวกันสามารถมีจำนวนนิวตรอนที่ต่างกันได้ ซึ่งจะเรียกว่า "ไอโซโทป" (Isotopes)
• อิเล็กตรอน (Electrons) เป็นอนุภาคที่มีประจุลบ (\(-1\)) และเคลื่อนที่อยู่รอบนอกนิวเคลียสในวงโคจรหรือเชลล์ (Electron Shells) อิเล็กตรอนเป็นตัวกำหนดปฏิกิริยาเคมีของอะตอม

โครงสร้างอะตอมสามารถอธิบายได้ด้วย "แบบจำลองอะตอม" ซึ่งมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เริ่มจากแบบจำลองของทอมสันที่เสนอว่าอะตอมมีประจุบวกและประจุลบผสมกัน จนถึงแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดที่เสนอว่าอะตอมมีนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง และแบบจำลองควอนตัมที่ปัจจุบันใช้อธิบายการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในอะตอม

โมเลกุล (Molecules)

โมเลกุลคือกลุ่มของอะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปที่จับตัวกันผ่านพันธะเคมี (Chemical Bonds) โมเลกุลสามารถประกอบด้วยอะตอมของธาตุเดียวกันหรืออะตอมของธาตุต่างกัน ตัวอย่างของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุเดียวกันได้แก่ ออกซิเจน (\(O_2\)) และไนโตรเจน (\(N_2\)) ส่วนตัวอย่างของโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างกันได้แก่ น้ำ (\(H_2O\)) และคาร์บอนไดออกไซด์ (\(CO_2\))

โมเลกุลสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ ๆ ตามการจัดเรียงของอะตอม ได้แก่ โมเลกุลโคเวเลนต์ (Covalent Molecules) และโมเลกุลไอออนิก (Ionic Molecules)

• โมเลกุลโคเวเลนต์ (Covalent Molecules) เกิดจากการที่อะตอมแชร์อิเล็กตรอนร่วมกัน ตัวอย่างเช่น โมเลกุลน้ำ (\(H_2O\)) เกิดจากการที่อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมแชร์อิเล็กตรอนร่วมกับอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอม
• โมเลกุลไอออนิก (Ionic Molecules) เกิดจากการที่อะตอมถ่ายโอนอิเล็กตรอนกัน ซึ่งทำให้อะตอมเกิดประจุไฟฟ้าและดึงดูดกัน ตัวอย่างเช่น เกลือแกง (\(NaCl\)) เกิดจากการที่อะตอมโซเดียม (\(Na^+\)) ถ่ายโอนอิเล็กตรอนให้อะตอมคลอรีน (\(Cl^-\))

พันธะเคมี (Chemical Bonds)

พันธะเคมีเป็นแรงที่ยึดอะตอมให้รวมตัวกันเป็นโมเลกุล มีสามประเภทหลัก ได้แก่ พันธะโคเวเลนต์ (Covalent Bond), พันธะไอออนิก (Ionic Bond), และพันธะโลหะ (Metallic Bond) พันธะเหล่านี้กำหนดสมบัติของโมเลกุล เช่น จุดเดือด จุดหลอมเหลว และความสามารถในการละลายน้ำ

อะตอมและโมเลกุลเป็นหน่วยพื้นฐานของสสาร อะตอมประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ในขณะที่โมเลกุลประกอบด้วยอะตอมที่จับตัวกันด้วยพันธะเคมี การทำความเข้าใจโครงสร้างและปฏิกิริยาของอะตอมและโมเลกุลมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาและการประยุกต์ใช้ในเคมีและสาขาอื่น ๆ