ตารางธาตุ
ตารางธาตุ (Periodic table) คือ ตารางที่ใช้แสดงรายชื่อธาตุเคมี คิดค้นขึ้นโดยนักเคมีชาวรัสเซีย ดมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) ในปี พ.ศ. 2412[1] จากการสังเกตว่า เมื่อนำธาตุที่รู้จักมาวางเรียงตามลำดับเลขอะตอม จะพบว่าคุณสมบัติพื้นฐานบางอย่างคล้ายกัน สามารถจำแนกเป็นกลุ่มๆ ได้ ทำให้เกิดรูปแบบตารางธาตุ และพัฒนาต่อเนื่องมาจนเป็นอย่างที่เห็น ตารางธาตุเป็นส่วนหนึ่งในการเรียนการสอนวิชาเคมีด้วยประวัติ ศาสตร์ของตารางธาตุ
เริ่มต้นจาก จอห์น นิวแลนด์ส ได้พยายามเรียงธาตุตามมวลอะตอม แต่เขากลับทำให้ธาตุที่มีสมบัติต่างกันมาอยู่ในหมู่เดียวกัน นักเคมีส่วนมากจึงไม่ยอมรับตารางธาตุของนิวแลนด์ส ต่อมา ดมีตรี เมนเดเลเยฟ จึงได้พัฒนาโดยพยายามเรียงให้ธาตุที่มีสมบัติเหมือนกันอยู่ในหมู่เดียวกัน และเว้นช่องว่างไว้สำหรับธาตุที่ยังไม่ค้นพบ พร้อมกันนั้นเขายังได้ทำนายสมบัติของธาตุใหม่ไว้ด้วย โดยใช้คำว่า เอคา (Eka) นำหน้าชื่อธาตุที่อยู่ด้านบนของธาตุที่ยังว่างอยู่นั้น เช่น เอคา-อะลูมิเนียม (ต่อมาคือธาตุแกลเลียม) เอคา-ซิลิคอน (ต่อมาคือธาตุเจอร์เมเนียม) แต่นักเคมีบางคนในยุคนั้นยังไม่แน่ใจ เนื่องจากว่าเขาได้สลับที่ธาตุบางธาตุโดยเอาธาตุที่มีมวลอะตอมมากกว่ามาไว้หน้าธาตุที่มีมวลอะตอมน้อยกว่า ดมีตรีได้อธิบายว่า เขาต้องการให้ธาตุที่มีสมบัติเดียวกันอยู่ในหมู่เดียวกัน เมื่อดมีตรีสามารถทำนายสมบัติของธาตุได้อย่างแม่นยำ และตารางธาตุของเขาไม่มีข้อน่าสงสัย ตารางธาตุของดมีตรีก็ได้รับความนิยมจากนักเคมีในสมัยนั้นเป็นต้นมา[แก้] ตาราง ธาตุแบบมาตรฐาน
หมู่ → | 1A | 2A | 3B | 4B | 5B | 6B | 7B | 8B | 8B | 8B | 1B | 2B | 3A | 4A | 5A | 6A | 7A | 8A | ||
คาบ ↓ | ||||||||||||||||||||
1 | 1 H | 2 He | ||||||||||||||||||
2 | 3 Li | 4 Be | 5 B | 6 C | 7 N | 8 O | 9 F | 10 Ne | ||||||||||||
3 | 11 Na | 12 Mg | 13 Al | 14 Si | 15 P | 16 S | 17 Cl | 18 Ar | ||||||||||||
4 | 19 K | 20 Ca | 21 Sc | 22 Ti | 23 V | 24 Cr | 25 Mn | 26 Fe | 27 Co | 28 Ni | 29 Cu | 30 Zn | 31 Ga | 32 Ge | 33 As | 34 Se | 35 Br | 36 Kr | ||
5 | 37 Rb | 38 Sr | 39 Y | 40 Zr | 41 Nb | 42 Mo | 43 Tc | 44 Ru | 45 Rh | 46 Pd | 47 Ag | 48 Cd | 49 In | 50 Sn | 51 Sb | 52 Te | 53 I | 54 Xe | ||
6 | 55 Cs | 56 Ba | * | 71 Lu | 72 Hf | 73 Ta | 74 W | 75 Re | 76 Os | 77 Ir | 78 Pt | 79 Au | 80 Hg | 81 Tl | 82 Pb | 83 Bi | 84 Po | 85 At | 86 Rn | |
7 | 87 Fr | 88 Ra | * * | 103 Lr | 104 Rf | 105 Db | 106 Sg | 107 Bh | 108 Hs | 109 Mt | 110 Ds | 111 Rg | 112 Cn | 113 Uut | 114 Uuq | 115 Uup | 116 Uuh | (117) Uus | 118 Uuo | |
* แลนทาไนด์ | 57 La | 58 Ce | 59 Pr | 60 Nd | 61 Pm | 62 Sm | 63 Eu | 64 Gd | 65 Tb | 66 Dy | 67 Ho | 68 Er | 69 Tm | 70 Yb | ||||||
** แอกทิไนด์ | 89 Ac | 90 Th | 91 Pa | 92 U | 93 Np | 94 Pu | 95 Am | 96 Cm | 97 Bk | 98 Cf | 99 Es | 100 Fm | 101 Md | 102 No |
โลหะแอลคาไล | โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท | แลนทาไนด์ | แอกทิไนด์ | โลหะทรานซิชัน |
โลหะหลังทรานซิชัน | ธาตุกึ่งโลหะ | อโลหะ | แฮโลเจน | ก๊าซมีตระกูล |
- ธาตุที่เลขเชิงอะตอมเป็น สีน้ำเงิน เป็นของเหลวที่ STP
- ธาตุที่เลขเชิงอะตอมเป็น สีเขียว เป็นก๊าซที่ STP
- ธาตุที่เลขเชิงอะตอมเป็น สีดำ เป็นของแข็งที่ STP
- ธาตุที่เลขเชิงอะตอมเป็น สีแดง เป็น ธาตุสังเคราะห์ (ทุกธาตุเป็นของแข็งที่ STP)
- ธาตุที่เลขเชิงอะตอมเป็น สีเทา ยังไม่มีการค้นพบ (ธาตุเหล่านี้ในตารางจะมีสีพื้นจาง ๆ ที่ใกล้เคียงกับสีพื้นของอนุกรมเคมีที่ธาตุดังกล่าวน่าจะเป็นสมาชิก)
ข้อ แนะนำในการจดจำธาตุในตารางธาตุ
- หมู่ 1A ลิเทียม (Lithium) โซเดียม (Sodium - Natrium) โพแทสเซียม (Potassium - Kalium) รูบิเดียม (Rubidium) ซีเซียม (Cesium) แฟรนเซียม (Francium)
- หมู่ 2A เบริลเลียม (Beryllium) แมกนีเซียม (Magnesium) แคลเซียม (Calcium) สตรอนเทียม (Strontium) แบเรียม (Barium) เรเดียม (Radium)
- หมู่ 3A โบรอน (Boron) อะลูมิเนียม (Aluminium) แกลเลียม (Gallium) อินเดียม (Indium) แทลเลียม (Thallium)
- หมู่ 4A คาร์บอน (Carbon) ซิลิกอน (Silicon) เจอร์เมเนียม (Germanium) ดีบุก (Tin - Stannum) ตะกั่ว (Lead - Plumbum)
- หมู่ 5A ไนโตรเจน (Nitrogen) ฟอสฟอรัส (Phosphorous) อะซินิค (สารหนู) (Arsenic) พลวง (Antimony - Stibium) บิสมัท (Bismuth)
- หมู่ 6A ออกซิเจน (Oxygen) ซัลเฟอร์ (กำมะถัน) (Sulfur) ซีลีเนียม (Selenium) เทลลูเรียม (Telllurium) โพโลเนียม (Polonium)
- หมู่ 7A ฟลูออรีน (Fluorine) คลอรีน (Chlorine) โบรมีน (Bromine) ไอโอดีน (Iodine) แอสทาทีน (Astatine)
- หมู่ 8A ฮีเลียม (Helium) นีออน (Neon) อาร์กอน (Argon) คริปตอน (Krypton) ซีนอน (Xenon) เรดอน (Radon)
หมายเหตุ ชื่อที่เป็นตัวเอียง เป็นชื่อในภาษาละติน ซึ่งเป็นที่มาของสัญลักษณ์ของธาตุนั้นๆ
แหล่ง กำเนิดของธาตุในจักรวาล
- ไฮโดรเจนและฮีเลียมเกิดเริ่มแรกในจักรวาลหลังบิกแบง
- ธาตุตัวที่ 3 คือลิเทียม ถึงตัวที่ 26 คือ เหล็กเกิดจากภาวะอัดแน่นในดวงดาว
- ธาตุตัวที่หนักกว่าเหล็กจนถึงยูเรเนียมเกิดจากดาวระเบิด หรือปรากฏการณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในดาวฤกษ์ (กรณีหลังจะได้กัมมันตภาพฯ เป็นส่วนมาก)
สมบัติ ของธาตุตามหมู่และคาบ
ปัจจุบันมีการค้นพบธาตุแล้วกว่า 100 ชนิดซึ่งในตารางธาตุปัจจุบันได้บรรจุอะตอมของธาตุต่างๆลงในตารางธาตุตาม สมบัติและเลขอะตอม ทำให้การศึกษาและการจดจำทำได้ง่ายขึ้น สมบัติทางเคมีและฟิสิกส์หลายอย่างของธาตุเป็น พิริออดิกฟังก์ชั่น(periordic frunction)ของเลขอะตอม การจัดเรียงอะตอมของธาตุบางประการมีคุณสมบัติและแนวโน้มตามคาบและหมู่ของ อะตอมและมีการจัดเรียงกันอย่างไร และมีสมบัติใดคล้ายคลึงกันจะได้ศึกษาจากสมบัติของธาตุในตารางธาตุหรือตาราพี ริออดิกในบทเรียนที่ 3 นี้ ตารางธาตุในปัจจุบันที่เราเห็นกันในบทนี้มีการจัดเรียงตัวของอะตอมอย่างไร บ้าง และธาตุใดที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันนักเรียนสามารถระบุได้หรือไม่ เมื่อนักเรียนสังเกตในตารางธาตุจะพบว่ามีแถวในแนวตั้งทั้งหมด 18 แถวเราเรียกแถวเหล่านั้นว่า หมู่(Group) และเราเรียกแถวในแนวนอนทั้งหมด 7 แถวว่า คาบ(Period)3.1 วิวัฒนาการของตารางธาตุและตารางในปัจจุบัน
นักเคมีเริ่มรู้จักธาตุกันมากขึ้นและมีธาตุถึง 100 กว่าธาตุดังนั้นจึงเป็นการยากแก่การศึกษาและการทำความเข้าใจ ดังนั้นนักเคมีจึงเริ่มหาการจัดเรียงธาตุชนิดต่างให้ง่ายขึ้นเพื่อที่จะ สามารถจดจำและทำให้การทำงานสะดวกยิ่งขึ้น ในปี พ.ศ. 2412 (ค.ศ. 1869) นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ชื่อเมนเดเลเอฟ(D.I. Mendeleev) ได้ศึกษาและพบว่าเมื่อนำธาตุต่างมากเรียงตามเลขอะตอมจะพบว่ามีสมบัติทางเคมี และฟิสิกส์คล้ายคลึงกัน และจะปรากฏอยู่เป็นช่วงๆ จึงได้ตั้งเป็นกฎพีริออดิก(Periodic Law)มีใจความว่า“สมบัติของธาตุจะปรากฎเป็นช่วงๆตามมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้นตาม เลขอะตอมของธาตุ” ต่อมาในปี พ.ศ. 2456 (ค.ศ.1913)โมสลีย์(H.G.J. Moseley) พบว่าการจัดเรียงของอะตอมจะมีความสัมพันธ์กับการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม ของธาตุนั้นๆ ดังนั้นในปัจจุบันกฏพีริออดิกจึงกล่าวได้ดังนี้“สมบัติต่างๆของธาตุเป็นพีริ ออดิกฟังก์ชั่นของเลขอะตอม และขึ้นอยู่กับการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในธาตุเหล่านั้น” ดังนั้นจึงสามารถใช้กฏต่างๆเหล่านี้จัดเรียงธาตุต่างๆตามเลขอะตอมเป็นตาราง พีริออดิก(periodic table) ซึ่งเป็นเครื่องช่วยในการจดจำของนักเคมีได้ดียิ่งขึ้นและทำให้ทำนายเกี่ยว กับธาตุต่างๆได้แม่นยำ ธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกันจะมีการจัดเรียงเวเลนซ์อิเล็กตรอนเหมือนกัน ดังนั้นธาตุในหมู่เดียวกันจึงมีสมบัติคล้ายกันมากเช่น ออกซิเจนและกำมะถันมี 6 เวนเลนซ์อิเล็กตรอน เท่ากัน และดูตามคาบของแต่ละคาบจะพบว่ามีการจัดเรียงอิเล็กตรอนตามระดับพลังงานเช่น โพแทสเซียมกับคริปตอนอยู่ในระดับพลังงานที่ 4 เช่นเดียวกัน
3.2 สมบัติของธาตุตามตารางธาตุ
3.2.1ขนาดอะตอม
โดยทั่วไปธาตุไม่ได้อยู่โดดเดี่ยวตามธรรมชาติ โดยมักจะอยู่ในรูปของสารประกอบดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงศึกษาเรื่องขนาด อะตอมได้จากการทดลองมี รัศมีชนิดต่างๆดังนี้ รัศมีโคเวเลนต์ คือระยะครึ่งหนึ่งของความยาวพันธะโคเวเลนต์ ซึ่งเกิดจากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน รัศมีแวนเดอร์วาลส์ คือระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้ที่สุด รัศมีโลหะ คือระยะครึ่งหนึ่งระหว่างนิวเคลียสของอะตอมโลหะที่อยู่ใกล้กันมากที่สุด
ตัวอย่างที่ 3.1 จงหารัศมีอะตอมของ Cl และ I เมื่อกำหนดให้ Cl-Cl ยาว 198 pm และ ความยาวพันธะ I-I ยาว 266 pm ความยาวพันธะ Cl-Cl ยาว 198 pm รัศมีมีความยาวเป็น ความยาวพันธะ I-I ยาว 266 pm รัศมีมีความยาวเป็น ตอบ รัศมี Cl มีความยาว 99 pm และรัศมี I มีความยาว 133pm ตัวอย่างที่ 3.2 จงคำนวณหารัศมีของธาตุ A กำหนดให้ ความยาวพันธะ A-B= pm
ความยาวพันธะ B-B = pmรัศมีของอะตอม B เท่ากับ = pm ความยาวพันธะของ A-B = รัศมีของ A+รัศมีของB = รัศมีของ A+ ตอบ รัศมีของ A = -
จากการศึกษาเรื่องขนาดอะตอมเราสามารถบอกแนวโน้มขนาดของอะตอมตามหมู่และ คาบได้โดยแนวโน้มตามหมู่จากบนลงล่างขนาดของอะตอมจะมีขนาดเพิ่มขึ้นจากเล็กไป ใหญ่ เนื่องจากระดับพลังงานในอะตอมที่มีขนาดเล็กจะมีแรงดึงดูดของโปรตอนใน นิวเคลียสต่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนมาก แต่ถ้าระดับพลังงานเพิ่มขึ้นแรงดึงดูดจะเริ่มน้อยลงตามระดับพลังงานทำให้ ขนาดของอะตอมมีขนาดเพิ่มขึ้นตามแรงดึงดูดที่น้อย ส่วนแนวโน้มตามคาบ ขนาดอะตอมจะเล็กลงจากซ้ายไปขวา ขณะที่เลขอะตอมเพิ่มขึ้นเนื่องจากว่า ในคาบเดียวกันเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะอยู่ในระดับพลังงานเดียวกัน แต่จำนวนโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียสของแต่ละอะตอมต่างกัน เป็นผลให้จำนวนโปรตอนที่มีมาก ดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าหาสูง เวเลนซ์อิเล็กตรอนเข้าใกล้นิวเคลียสมาก อะตอมจึงมีขนาดเล็กลง
ตัวอย่างที่ 3. 3 จงอธิบายว่าเหตุใดลิเทียมกับฟลูออรีนซึ่งมีโปรตอนเป็น 3 และ 9 ตามลำดับจึงมีขนาดอะตอมต่างกันทั้งที่อยู่ในระดับพลังงานที่ 2 เท่ากัน ตอบ ลิเทียมมีจำนวนโปรตอนน้อยกว่าฟลูออรีนทำให้โปรตอน(H+) ดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนของฟลูออรีนมากกว่าลิเทียมทำให้ขนาดอะตอมของ ฟลูออรีนเล็กกว่าลิเทียมเป็นผลให้ขนาดอะตอมต่างกันนั่นเอง
ตัวอย่างที่ 3.4 จงเรียงลำดับขนาดอะตอมของธาตุ Rb Li และ Na จากเล็กไปใหญ่ตามลำดับ พร้อมอธิบายเหตุผลที่เรียงเช่นนั้น ตอบ Li
9F- 1s2 2s2 2p6
จากการศึกษาและคำถามดังกล่าวได้ข้อสรุปว่า ค่าพลังงานไอออนเซชันลำดับที่ 1 ของธาตุในคาบเดียวกันจะมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอมเนื่องจากธาตุใน คาบเดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น จะมีจำนวนโปรตอนมากขึ้นขนาดอะตอมเล็กลง เกิดแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสในอะตอมและอิเล็กตรอนทำให้ใช้พลังงานมากในการ ดึงอิเล็กตรอนออก ส่วนค่าพลังงานไอออนเซชันลำดับที่ 1 ของธาตุในหมู่เดียวกันจะมีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากธาตุที่มีเลขอะตอมมาก เวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ไกลทำให้มีแรงดึงดูดระหว่างประจุน้อยลงตามลำดับ จึงทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมได้ง่ายตามจำนวนเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น
ในการเทียบค่า IE ของอะตอมและไอออนนั้นสามารถใช้หลักเกณฑ์ดังกล่าวต่อไปนี้ 1. การจัดเรียงอิเล็กตรอนจะพบว่าธาตุหรือไอออนมีระดับพลังงานไม่เท่ากัน ธาตุหรือไอออนที่มีระดับพลังงานสูงจะมีค่า IE ต่ำ 2.จากข้อ 1 ถ้าธาตุหรือไอออนอยู่ในระดับพลังงานเดียวกันให้พิจารณาจาก เลขอะตอมถ้าหากมีเลขอะตอมมากค่า IE จะมากตามเลขอะตอม 3. เมื่อจัดเรียงอิเล็กตรอนแล้วพบว่ามีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันและระดับพลังงาน เท่ากัน ให้พิจารณาเวเลนซ์อิเล็กตรอน ถ้าหากมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนมากจะมีค่า IE น้อย ตัวอย่างที่ 3.6 จงเขียมสมการแสดงค่า IE9 ของธาตุ Cl ตอบ Cl8+(g) Cl9+(g)+e- ตัวอย่างที่ 3.7 กำหนดค่าพลังงานไอออนไนเซชัน(MJ mol-1)ของธาตุ A ดังนี้ a ,b ,c , dและ จงตอบคำถามต่อไปนี้ ก. จงหาจำนวนอิเล็กตรอนและเลขอะตอมของธาตุ A ข. เลขควอนตัมของธาตุ A คืออะไร ค. จำแนกอิเล็กตรอนของธาตุ Aได้กี่กลุ่ม ก. มี5 อิเล็กตรอนและ 5 โปรตอน=เลขอะตอม ข. เนื่องจากธาตุ A มี 5 อิเล็กตรอนดังนั้นการจัดเรียงอิเล็กตรอนจึงเป็นไปตามระดับพลังงานคือ 2 , 3 ดังนั้นเลขควอนตัมของธาตุ A คือ 2 ค. จำแนกได้ 2 กลุ่มคือกลุ่มที่ 1 อยู่ในระดับพลังงานที่ 1ซึ่งมี 2 อิเล็กตรอนและกลุ่มที่ 2 อยู่ในระดับพลังงานที่ 2ซึ่งมี 3 อิเล็กตรอน ตัวอย่างที่ 3.8 จากตารางดังกล่าวธาตุชนิดนี้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่าไร และมีกี่ระดับพลังงาน
โจทย์ตัวอย่างต่อไปนี้เป็นโจทย์จากการแข่งขันเคมีโอลิมปิกระหว่างประเทศ ครั้งที่ 35 ณ ประเทศกรีซ ประจำปี พ.ศ. 2546
IE1 IE2 IE3 IE4 IE5 IE6
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น