เคมี ม.4: ตารางธาตุ

ตารางธาตุ

          ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบธาตุแล้วเป็นจำนวนมาก ธาตุเหล่านั้นอาจมีสมบัติบางประการคล้ายกันแต่ก็มีสมบัติบางประการที่แตกต่างกัน จึงยากที่จะจดจำสมบัติต่างๆ ของแต่ละธาตุได้ทั้งหมด นักวิทยาศาสตร์จึงหากฎเกณฑ์ในการจัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายกันให้อยู่ในกลุ่มเดียวกันเพื่อง่ายต่อการศึกษา

           - นักเรียนคิดว่าสมบัติใดของธาตุที่สามารถใช้เป็นเกณฑ์ในการจัดกลุ่มธาตุ

1.2.1 วิวัฒนาการของการสร้างตารางธาตุ
          ภายหลังการค้นพบธาตุต่างๆ และศึกษาสมบัติของธาตุเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่างๆ ของธาตุและนำมาใช้จัดธาตุเป็นกลุ่มได้หลายลักษณะ ในปี พ.ศ.2360 (ค.ศ. 1817) โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์เป็นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่มๆ ละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่า ชุดสาม โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอม *เป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ ตัวอย่างธาตุชุดสามของเดอเบอไรเนอร์ เช่น Na เป็นธาตุกลางระหว่าง Li กับ K มีมวลอะตอม 23 ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของธาตุ Li ซึ่งมีมวลอะตอม 7 กับธาตุ K ซึ่งมีมวลอะตอม 39 แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกัน พบว่าค่ามวลอะตอมของ ธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของสองธาตุที่เหลือ หลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา
          ในปี พ.ศ. 2407 จอห์น นิวแลนด์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอกฎในการจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ว่า ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากพบว่าธาตุที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนกับธาตุที่ 1 เสมอ (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและแก๊สเฉื่อย) เช่น เริ่มต้นเรียงโดยใช้ธาตุ Li เป็นธาตุที่ 1 ธาตุที่ 8 จะเป็น Na ซึ่งมีสมบัติคล้ายธาตุ Li ดังตัวอย่างการจัดต่อไปนี้

การจัดเรียงธาตุตามแนวคิดของนิวแลนด์ใช้ได้ถึงธาตุแคลเซียมเท่านั้น กฎนี้ไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอมจึงเกี่ยวข้องกับสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุ ทำให้ไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา
ยูลิอุสโลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและดิมิทรี อิวา-โนวิช เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่างๆ มากขึ้นทำให้มีข้อสังเกตเช่นเดียวกันว่า ถ้าเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าธาตุมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงๆ การที่ธาตุต่างๆ มีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงเช่นนี้เมนเดเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎพิริออดิก และได้เสนอความคิดนี้ในปี พ.ศ. 2412 ก่อนที่ไมเออร์จะเผยแพร่ผลงานของเขาหนึ่งปีเพื่อเป็นการให้เกียรติแก่เมนเดเลเอฟ จึงเรียกตารางนี้ว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ ในปีต่อมาเมนเดเลเอฟได้ปรับปรุงตารางธาตุใหม่ ดังสำเนาภาพในรูป 1.21

รูป 1.21 ตารางธาตุของเมนเดเลเอฟที่ปรับปรุงใหม่

ข้อที่น่าสังเกตคือ การจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟไม่ได้ยึดการเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเพียงอย่างเดียว แต่ได้นำสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุที่ปรากฎซ้ำกันเป็นช่วงๆ มาพิจารณาด้วย นอกจากนี้ยังได้เว้นช่องว่างไว้โดยคิดว่าน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ โดยที่ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ เมนเดเลเอฟจึงได้ทำนายสมบัติของธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบไว้ 3 ธาตุ ให้ชื่อว่า เอคา-โบรอน เอคา-อะลูมินัม และเอคา-ซิลิคอน ในเวลาต่อมาก็ได้ค้นพบธาตุสแกนเดียม แกลเลียม และเจอร์เมเนียม ตามลำดับ ซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับที่ได้ทำนายไว้ ดังตัวอย่างธาตุเอคา-ซิลิคอน ซึ่งมีสมบัติใกล้เคียงกับธาตุเจอร์เมเนียมดังนี้
ตาราง 1.6 เปรียบเทียบสมบัติของเอคา-ซิลิคอนกับเจอร์เมเนียม

สมบัติ	เอคา-ซิลิคอน ทำนายเมื่อ พ.ศ. 2414	เจอร์เมเนียน ค้นพบเมื่อ พ.ศ. 2429
มวลอะตอม ความหนาแน่น $\displaystyle \left( {g/cm^3 } \right)$ สี ความหนาแน่นของออกไซด์ $\displaystyle \left( {g/cm^3 } \right)$ ความหนาแน่นของคลอไรด์ $\displaystyle \left( {g/cm^3 } \right)$	72 5.5 เทาเข็ม $\displaystyle EsO_2 = 4.7$ $\displaystyle EsCl_4 = 1.9$	72.6 5.47 เทาขาว $\displaystyle GeO_2 = 4.70$ $\displaystyle GeCl_4 = 1.89$

อย่างไรก็ตามเมนเดเลเอฟไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดจึงต้องจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอม เนื่องจากสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาโครงสร้างของอะตอมและไอโซโทปได้ไม่ชัดเจน นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาเกิดแนวความคิดว่า ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่น่าจะขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของธาตุ แต่น่าจะขึ้นอยู่กับสมบัติอื่นที่มีความสัมพันธ์กับมวลอะตอม เฮนรี โมสลีย์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอให้จัดธาตุเรียงตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่างๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ตารางธาตุในปัจจุบันจึงได้จัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปมากซึ่งสอดคล้องกับกฎพิริออดิกที่ได้กล่าวมาแล้ว
ตารางธาตุที่นิยมใช้ในปัจจุบันได้ปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ แต่เรียงธาตุตามลำดับเลขอะตอมแทนการเรียงตามมวลอะตอม ดังรูป 1.22

รูป 1.22 ตารางธาตุในปัจจุบัน

          - การจัดธาตุเป็นหมู่และคาบมีความสัมพันธ์กับการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุหรือไม่อย่างไร
          - จงสืบค้นข้อมูลและนำเสนอภาพการแบ่งธาตุเป็นกลุ่ม s p d และ f ตามลักษณะการจัดอิเล็กตรอนในออร์บิทัล

          ตารางธาตุที่ใช้อยู่ในปัจจุบันแบ่งธาตุในแนวตั้งออกเป็น 18 แถว โดยเรียกแถวในแนวตั้งว่า หมู่ ธาตุในแนวตั้งยังแบ่งเป็นกลุ่มย่อย A กับ B กลุ่ม A มี 8 หมู่ คือ IA ถึง VIIIA หมู่ IA มีชื่อเรียกว่า โลหะแอลคาไล หมู่ IIA เรียกว่า โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท หมู่ VIIA เรียกว่า หมู่ธาตุแฮโลเจน และหมู่ VIIA เรียกว่า แก๊สเฉื่อยหรือแก๊สมีตระกูล กลุ่ม B มี 8 หมู่เช่นเดียวกันคือ IB ถึง VIIIB แต่ใน VIIIB จะมี 3 แถวธาตุกลุ่ม B ทั้งหมดเรียกว่ากลุ่ม ธาตุแทรนซิชัน
          ธาตุที่อยู่ในแนวนอนมี 7 แถว แต่ละแถวจัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้นตามลำดับ และเรียกแถวในแนวนอนว่า คาบจำนวนธาตุในแต่ละคาบจะเป็นดังนี้ คาบที่ 1 มี 2 ธาตุ คาบที่ 2 และ 3 มีคาบละ 8 ธาตุ คาบที่ 4 และ 5 มีคาบละ 18 ธาตุ คาบที่ 6 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม กลุ่มแรกมี 18 ธาตุ คือ Cs ถึง Rn กลุ่มที่สองมี 14 ธาตุ คือ Ce ถึง Lu และเรียกกลุ่มนี้ว่า กลุ่มธาตุ แลนทาไนด์ คาบที่ 7 แบ่งเป็น 2 กลุ่ม กลุ่มแรกเริ่มจาก Fr เป็นต้นไปและมีการค้นพบเพิ่มขึ้นอยู่ตลอดเวลา ส่วนกลุ่มหลังมี 14 ธาตุคือ Th ถึง Lr ซึ่งมีชื่อเรียกว่า กลุ่มธาตุ แอกทิไนด์
          เมื่อพิจารณาการจัดอิเล็กตรอนของธาตุในตารางธาตุพบว่าธาตุในแนวตั้งที่อยู่ในกลุ่มย่อย A จะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากันและจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะตรงกับเลขหมู่ สำหรับธาตุตามแนวนอนที่อยู่ในคาบเดียวกัน พบว่าธาตุในกลุ่มย่อย A มีจำนวนระดับพลังงานเท่ากัน และจำนวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่คาบ เช่น
          ธาตุ Na มีเลขอะตอมเท่ากับ 11 จัดอิเล็กตรอนเป็น   $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^1$ ซึ่งมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงานเป็น 2 8   1
          ธาตุ K มีเลขอะตอมเท่ากับ 19 จัดอิเล็กตรอนเป็น $\displaystyle ls^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1$ ซึ่งมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในแต่ละระดับพลังงานเป็น 2 8 8 1
          ดังนั้น ธาตุ Na และ K จึงอยู่ในหมู่ IL เพราะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 1
          Na อยู่ในคาบที่ 3 เพราะมีจำนวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ 3
          K จะอยู่ในคาบที่ 4 เพราะมีจำนวนระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ 4
          การจัดอิเล็กตรอนในออร์บิทัล s p d และ f ของธาตุในตารางธาตุนั้น ถ้าพิจารณจากออร์บิทัลที่มีพลังงานสูงสุดที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ในแต่ละธาตุสามารถแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุได้ดังนี้คือ ธาตุกลุ่ม s ได้แก่ธาตุในหมู่ IA และ IIA กลุ่ม p ได้แก่ธาตุในหมู่ IIIA จนถึง VIIA และแก๊สเฉื่อย กลุ่ม d ได้แก่ธาตุในหมู่ IIIB จนถึง IIB ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่กลุ่มธาตุแลนทาไนด์และแอกทิไนด์
          จากการที่นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาทดลองจนค้นพบธาตุเพิ่มขึ้นอีกหลายธาตุแต่ยังไม่มีการกำหนดสัญลักษณ์ที่แน่นอน บางครั้งธาตุชนิดเดียวกันถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์หลายคนจึงทำให้มีชื่อเรียกแตกต่างกันองค์การนานาชาติทางเคมี (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) ได้ตกลงให้เรียกชื่อธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 100 ขึ้นไปตามระบบตัวเลขเป็นภาษาละตินและลงท้ายเสียงของชื่อธาตุเป็น -ium เป็นชื่อเรียกสำหรับธาตุที่ยังไม่มีชื่อที่ยอมรับเป็นสากล
          จำนวนนับในภาษาละตินเป็นดังนี้
                    0 1      2    3 4           5 6   7 8        9
                    nil    un    bi    tri    quad    pent    hex    sept    oct    enn
                    นิล    อูน    ไบ    ไตร    ควอด    เพนต์    เฮกซ์    เซปต์    ออกต์    เอนน์
          สำหรับการเขียนสัญลักษณ์ของธาตุ ให้ใช้อักษรตัวแรกของจำนวนนับแต่ละตัวมาเขียนเรียงกัน เช่น ธาตุที่มีเลขอะตอม 110 จะมีสัญลักษณ์เป็น Uun
                    - นักเรียนคิดว่าธาตุที่มีเลขอะตอม 112 จะมีชื่อว่าอย่างไร และธาตุที่มีสัญลักษณ์ Unh และ Uno มีเลขอะตอมเท่าใด

         การที่นักวิทยาศาสตร์จัดธาตุเป็นหมู่และเป็นคาบในรูปของตารางธาตุเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆ รายละเอียดเกี่ยวกับสมบัติของธาตุตามตารางธาตุเป็นอย่างไร นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป

1.2.2 สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ
          จากการศึกษาการจัดเรียงธาตุในตารางธาตุ ช่วยให้ทราบว่าตารางธาตุในปัจจุบันจัดธาตุเป็นหมู่และเป็นคาบโดยอาศัยสมบัติบางประการที่คล้ายกัน สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบซึ่งได้แก่ ขนาดอะตอม รัศมีไอออน พลังงาน ไอออไนเซชัน อิเล็กโทรเนกาติวิตี สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน จุดหลอมเหลวและจุดเดือด และเลขออกซิเดชันสมบัติดังกล่าวนี้จะมีแนวโน้มเป็นอย่างไรศึกษาได้ดังนี้

1.2.2.1 ขนาดอะตอม
          ตามแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยวแต่จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกัน จึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดของอะตอมที่อยู่ในภาวะอิสระหรือเป็นอะตอมเดี่ยวในทางปฏิบัติจึงบอกขนาดอะตอมด้วยรัศมีอะตอม ซึ่งมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกันรัศมีอะตอมมีหลายแบบซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของแรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ดังตัวอย่าง
          รัศมีโคเวเลนต์ คือระยะทางครึ่งหนึ่งของความยาวพันธะโคเวเลนต์* ระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน ตัวอย่างรัศมีโคเวเลนต์ของไฮโดรเจนและคลอรีนแสดงได้ดังนี้
                   ความยาวพันธะ H - H           =   74 pm
                    รัศมีโคเวเลนต์ของ H             =   $\displaystyle \frac{{74}}{2}$         = 37 pm
                    ความยาวพันธะ Cl - Cl           =   198 pm
                  รัศมีโคเวเลนต์ของ Cl             =   $\displaystyle \frac{{198}}{2}$      = 99 pm

รูป 1.23 รัศมีอะตอมของไฮโดรเจนและคลอรีน

          ในกรณีที่เป็นพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมต่างชนิดกันเช่น   $\displaystyle CCl_4$ อาจหารัศมีอะตอมของธาตุทั้งสอง ในที่นี้คือคาร์บอนกับคลอรีนและทราบรัศมีอะตอมของธาตุคลอรีนดังตัวอย่าง
          จากข้อมูลทราบว่า ความยาวพันธะ C-CI = 176 pm
                                       รัศมีอะตอมของ CI       = 99 pm
             ดังนั้น                 รัศมีอะตอมของ C        = (176-99)
                                                            = 77 pm

วันพฤหัสบดีที่ 8 กันยายน พ.ศ. 2559

ตารางธาตุ

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น