2.4 ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก

2.4 ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบธาตุแล้วเป็นจำนวนมากถ้าเรานั้นอาจมีสมบัติบางประการคล้ายกัน และบางประการแตกต่างกันจึงยากที่จะจดจำสมบัติต่างๆของแต่ละธาตุได้ทั้งหมดนักวิทยาศาสตร์จึงหาเกณฑ์ในการจัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายการให้อยู่ในกลุ่มเดียวกันเพื่อง่ายต่อการศึกษา

2.4.1 วิวัฒนาการของตารางธาตุ

เมื่อมีการค้นพบธาตุและศึกษาสมบัติของธาตุเหล่านี้แล้วเราวิทยาศาสตร์ได้หาความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติต่างๆ ของธาตุและนำมาใช้จัดตารางธาตุเป็นกลุ่มได้หลายแบบ

ในปีพศ. 2360 โยฮันน์เดอเบอไรเนอร์ เต้นนักเคมีคนแรกที่พยายามจัดตารางธาตุเป็นกลุ่มกลุ่มกลุ่มละ 3 ช่าตอนสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่าชุดสาม โดยพบว่าท่าทางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีก 2 ธาตุที่เหลือ ดังรูป

ในปีพ. ศ. 2427 จอห์นนิวแลนด์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอในการจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ว่า ถ้าเรียนต่างชาติหมดอะตอมจากน้อยไปมากพบว่าถ้าที่ 8 จะมีสมบัติเหมือนท่าที่หนึ่งเสมอ โดยไม่รวมค่าไฮโดรเจนและแก๊สมีสกุล การจัดเรียงธาตุตามแนวคิดของนิวตันใช้ได้ถึงธาตุแคลเซียมเท่านั้นกดนี้ไม่สามารถอธิบายได้เพราะว่า เหตุใดมวลอะตอมจึงเกี่ยวข้องกับสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุทำให้ไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา ดังรูป

ในปีพศ 2412 ยูลิอุส โลทาร์ ไมเออร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและ ดิมิทรี เมนเดเลเอฟ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียศึกษารายละเอียด ของทอดต่างๆมากขึ้นทำให้มีข้อสังเกตว่าถ้าท่านเองตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากจะพบว่าท่านมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงช่วงการที่ธาตุต่างๆมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วงช่วงเช่นนี้ จึงต้องเป็นกรดเรียกว่ากฎพิริออดิก การจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ของเมนเดเลเอฟ ไม่ได้หยุดการเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากเพียงอย่างเดียวแต่ได้นำสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วงๆมาพิจารณาด้วยนอกจากนี้ยังได้เว้นช่องว่างไว้โดยคิดว่าน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุที่ยังไม่ได้มีการค้นพบโดยที่ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุมีความสัมพันธ์ กับสมบัติของธาตุเมนเดเลเอฟ จึงได้ทำนายสมบัติของธาตุ ที่ยังไม่ได้มีการค้นพบ 3 ธาตุและให้ชื่อว่า เอคา-โบรอน เอคา-อะลูมิเนียม และ เอคา-ซิลิกอน ในเวลาต่อมา ก็ได้ค้นพบธาตุสแกนเดียม แกลเลียม และเจอร์เมเนียมตามลำดับ ซึ่งสมบัติใกล้เคียงกับที่ได้ทำนายไว้

ในปีพ. ศ. 2456 เฮนรี โมสลีย์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ เสนอให้จัด ธาตุเรียงตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่างๆของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม ตารางธาตุในปัจจุบันจึงได้ปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟแต่เรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก ดังรูป

แบ่งธาตุในแนวตั้งเป็น 18 แถวโดยเรียกแถวในแนวตั้งว่าหมู่และแบ่งธาตุในแนวนอนเป็น 7 แถวโดยเรียกแถวในแนวนอนว่าคาบ

2.4.2 กลุ่มของธาตุในตารางธาตุ

การที่นักวิทยาศาสตร์จัดธาตุในตารางธาตุเป็นหมู่และคาบเพื่อให้ง่ายต่อการศึกษาสมบัติของธาตุต่างๆถ้าแบ่งกลุ่มของธาตุตามสมบัติความเป็นโลหะจะแบ่งได้ 3 กลุ่มคือธาตุโลหะเป็นธาตุที่นำไฟฟ้าและความร้อนได้ดีธาตุกึ่งโลหะเป็นธาตุที่นำไฟฟ้าได้ไม่ดีที่อุณหภูมิห้องจะจะนำไฟฟ้าได้ดีเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและธาตุอโลหะซึ่งเป็นธาตุที่ไม่นำไฟฟ้าเลยยกเว้นคาร์บอนและฟอสฟอรัสดำเมื่อพิจารณาตำแหน่งของธาตุพบว่าธาตุโลหะอยู่ทางซ้ายมือของตารางธาตุ ธาตุอโลหะจะอยู่บริเวณที่เป็นขั้นบันไดและธาตุอโลหะจะอยู่ขวามือของตารางธาตุยกเว้นไฮโดรเจนอยู่ทางซ้ายมือของตารางธาตุ

ถ้าแบ่งกลุ่มธาตุในตารางธาตุโดยพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอน ในออร์บิทัล s p d f ที่มีพลังงานสูงสุด และมีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่จะแบ่งธาตุได้เป็น 4 กลุ่มใหญ่คือถ้ากลุ่ม s ได้แก่ธาตุในหมู่ที่ 1 และ 2 ธาตุกลุ่ม p ได้แก่ธาตุในหมู่ที่ 13 ถึง 18 ยกเว้นฮีเลียมธาตุกลุ่มดีได้แก่ธาตุในหมู่ที่ 3 ถึง 12 ส่วนธาตุในกลุ่ม f ได้แก่กลุ่มธาตุที่อยู่ด้านล่างของตารางธาตุที่นิยมมาจากหมู่ 3 คาบที่ 6 และ 7

ธาตุกลุ่ม s และธาตุกลุ่ม p เรียกรวมกันว่า ถ้ากลุ่ม a ซึ่งเป็นกลุ่มของธาตุเรพรีเซนเททีฟ หรืออาจเรียก กลุ่มธาตุหมู่หลัก เมื่อพิจารณาการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุกลุ่มเอพบว่าถ้าในแนวตั้งที่อยู่ในกลุ่มเอจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนและจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน เท่ากัน จะตรงกับเลขหมู่ธาตุบางหมู่มีการกำหนดชื่อที่เป็นสากลเช่น 5 หมู่ IA มีชื่อเรียกว่าโลหะแอลคาไล ธาตุหมู่ IIA มีชื่อเรียกว่าโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท ธาตุหมู่ VIIA มีชื่อเรียกว่า ธาตุแฮโลเจน และธาตุหมู่ VIIIA ยกเว้น Og เรียกว่าแก๊สมีสกุล กลุ่ม d และ f เรียกรวมกันว่าธาตุกลุ่ม B หรือกลุ่มแทรนซิชัน ซึ่งแบ่งเป็นทรานซิชันชั้นนอกและธาตุแทรนซิชันชั้นในได้แก่กลุ่ม d และ f ตามลำดับ ยังสามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มย่อยกลุ่มได้อยู่คาบที่ 6 และมีเลขอะตอมตั้งแต่ 57 ถึง 71 เมื่อกลุ่มนี้ว่าแลนทานอยด์ กลุ่มที่ 2 อยู่คาบที่ 7 และมีเลขอะตอมตั้งแต่ 89 ถึง 130 กลุ่มนี้ว่ากลุ่มธาตุแอกทินอยด์ เมื่อพิจารณา การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุแทรนซิชันพบว่าจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนส่วนใหญ่เท่ากับ 2 เมื่อพิจารณาธาตุกลุ่มนี้ตามแนวนอนพบว่าจำนวนระดับพลังงานจะตรงกับเลขที่คาบเช่นเดียวกับธาตุในกลุ่มธาตุหมู่หลัก จากการศึกษาการจัดเรียงธาตุในตารางธาตุช่วยให้ทราบถึงตารางธาตุในปัจจุบันจัดธาตุเป็นหมู่และคาบโดยอาศัยสมบัติบางประการที่คล้ายกันสมบัติของธาตุหมู่หลักตามหมู่และตามคาบซึ่งได้แก่ขนาดอะตอม รัศมีไอออน พลังงานไอออไนเซชัน อิเล็กโทรเนกาติวิตี สัมพันธภาพอิเล็กตรอน
2.4.3 ขนาดอะตอม
ตามแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของอิเล็กตรอนได้นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดียวแต่จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันถึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดอะตอมที่อยู่ในสภาวะอิสระหรือเป็นอะตอมเดี่ยวในทางปฏิบัติจึงบอกขนาดอะตอมด้วยรัศมีอะตอมซึ่งกำหนดให้มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะทางระหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้ง 2 ที่มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกัน เพื่อศึกษา รัศมีอะตอมของธาตุทำให้ทราบขนาดอะตอมของธาตุและสามารถเปรียบเทียบขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันหรือหมู่เดียวกันได้ดังรูป

เมื่อพิจารณาขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันพบว่า ขนาดอะตอมมีแนวโน้มลดลงหมายเลขอะตอมเพิ่มขึ้นอธิบายได้ว่าเนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับพลังงานเดียวกันแต่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสต่างกันเท่าที่มีจำนวนโปรตอนมากจะดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยอะไรที่มากกว่าธาตุที่มีจำนวนโปรตอนน้อยเวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากกว่าทำให้อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กลงส่วนธาตุในหมู่เดียวกันเมื่อใดอะตอมเพิ่มขึ้นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำนวนระดับพลังงานที่มีต่ออีก 1 ตอนเพิ่มขึ้นด้วยอิเล็กตรอนที่อยู่ในชั้นในจึงเป็นคล้ายฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนทำให้แรงดึงดูดต่อ เวเลนซ์อิเล็กตรอน มีน้อยเป็นผลให้ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม
2.4.4 ขนาดไอออน
อะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอนเมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอนออกไปอะตอมจะกลายเป็นไอออนการบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดของอะตอม กล่าวคือ จะบอกเป็นค่ารัศมีไอออนซึ่งพิจารณาจากระยะทางระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งหนึ่งที่ยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผลึก

เมื่อโลหะ ทำปฏิกิริยากับอโลหะอะตอมของโลหะจะเสียเวลาแต่เล็กจนกลายเป็นไอออนบวกจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลงทำให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วยหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือแรงดึงดูดระหว่าง ประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนจากเพิ่มมากขึ้น Iron ห่วงจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออนลบเนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอนขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิมไอออนลบจึงมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ดังรูป


2.4.5 พลังงานไอออไนเซชัน

พลังงานปริมาณน้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนหลุดจากอะตอมในสถานะแก๊สเรียกว่าพลังงานไอออไนเซชัน โดยค่า IE แสดงถึงความยากง่ายในการทำให้ อะตอมในสถานะแก๊สกลายเป็นไอออนบวก โดยอีน้อยแสดงว่าทำให้เป็นไอออนบวกได้ง่ายแต่ถ้า IE มากแสดงว่าทำให้เป็นไอออนบวกได้ยากก็ทำให้ไฮโดรเจนอะตอมในสถานะแก๊สกลายเป็นไรโดยเช่นไอออนและสถานะแก๊สเขียนได้ดังนี้

H(g) ----> H^+(g) + e^-

การทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากอะตอมของไฮโดรเจนจะต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุด 1318 กิโลจูลต่อโมล นั่นคือ พลังงานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนอะตอมเท่ากับ 1318 กิโลจูลต่อโมล ธาตุไฮโดรเจน มี 1 อิเล็กตรอนจึงมีค่าพลังงานไอออไนเซชันเพียงค่าเดียวถ้าธาตุที่มีหลายอิเล็กตรอน ก็จะมีพลังงานไอออไนเซชันหลายค่าพลังงานที่น้อยที่สุดที่ทำให้อิเล็กตรอนตัวแรกหลุดออกมาจากอะตอม ที่อยู่ในสถานะแก๊สเรียกว่าพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 เขียนย่อเป็น IE 1 พลังงานที่ทำให้อิเล็กตรอนในลำดับต่อๆมาหลุดออกมาจากอะตอมเรียกว่าพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 2 3 ... และเขียนย่อเป็น IE 2 IE 3 ตามลำดับ
2.4.6 สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน
พลังงานที่ถูกคายออกมาเมื่ออะตอมในสถานะแก๊สได้รับอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอนเลขว่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเขียนสมการการเปลี่ยนแปลงได้ดังนี้
A(g) + e^- ---> A^-(g)
หาค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน มีค่าเป็นบวกหมายความว่าอะตอมคายพลังงานเมื่อได้รับอิเล็กตรอนแสดงว่าอะตอมของธาตุนั้นมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอนได้ดี ถ้าค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเป็นลบแปลว่าต้องใช้พลังงานเพิ่มเข้าไปเพื่อให้และรับอิเล็กตรอนได้เพิ่มขึ้น 1 อิเล็กตรอน เมื่อพิจารณาตามข้อพบว่าค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของธาตุอโลหะยกเว้น หมู่ VIIIA มีค่ามากกว่าธาตุโลหะแสดงว่าธาตุอโลหะมีแนวโน้มที่จะได้รับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าถ้าโลหะเมื่อพิจารณาโดยภาพรวมทั้งหมดจะพบว่าธาตุหมู่ VIIA มีค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูงที่สุดแสดงว่ามีแนวโน้มในการรับอิเล็กตรอนได้ดีกว่าท่านผู้อื่นที่เป็นเช่นนี้อาจอธิบายได้ว่าการรับ 1 อิเล็กตรอนของธาตุในหมู่นี้จะทำให้มีอะตอมที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุหมู่ VIIA หรือแก๊สมีสกุลซึ่งมีความเสถียรมาก
2.4.7 อิเล็กโทรเนกาติวิตี
อิเล็กโทรเนกาติวิตีความสามารถของอะตอมในการดึงดูดอีเล็คตรอนคู่ที่ใช้ร่วมกันในโมเลกุลของสารแนวโน้มค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในตารางเป็นดังนี้
เมื่อพิจารณาค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุในคาบเดียวกันพบว่ามีแนวโน้มเพิ่มขึ้นตามเลขอะตอมเนื่องจากในคาบเดียวกันอะตอมของธาตุหมู่ IA มีขนาดใหญ่ที่สุดและหมู่ VIIA มีขนาดเล็กที่สุด ความสามารถในการดึงดูดอีเล็คตรอนตามข้ามจึงเพิ่มขึ้นจากหมู่ IA ไปหมู่ VIIA ดังนั้นในคาบเดียวกันธาตุหมู่ IA จึงมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำที่สุดควรธาตุหมู่ VIIA มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุดธาตุในหมู่เดียวกันมีแนวโน้มของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี ลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นเนื่องจากขนาดของอะตอมที่เพิ่มขึ้นเป็นผลให้นิวเคลียสดึงดูดอิเล็กตรอนลดลง