ธาตุและตารางธาตุ

ใบความรู้ที่ 1 เรื่อง ตารางธาตุ ธาตุหมายถึง สารบริสุทธิ์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งประกอบด้วยอะตอมที่เหมือนกัน ธาตุชนิดเดียวกันรวมกันเป็น โมเลกุล แต่ถ้าธาตุต่างชนิดกันจะรวมกันเป็นโมเลกุลของสารประกอบและมีอัตราส่วนแน่นอน เกณฑ์ที่ใช้แบ่งประเภทธาตุ ในการจัดธาตุออกเป็นหมวดหมู่ จ าเป็นต้องอาศัยเกณฑ์ต่าง ๆ ในการจัดประเภท แล้วแต่ว่าจะใช้เกณฑ์ใด ใน การแบ่งสมบัติโดยทั่ว ๆ ไปของธาตุ ได้แก่ ความมันวาว การน าไฟฟ้า ความเปราะ ความเหนียว การน าความร้อน จุด เดือด จุดหลอมเหลว ความหนาแน่น สารประกอบบางชนิดของาตุ และความเป็นกรด-เบสของสารละลายของ สารประกอบของธาตุนั้น ซึ่งพอสรุปเป็นเกณฑ์ส าหรับใช้แบ่งประเภทของธาตุได้ดังนี้ 1. ใช้สมบัติความเป็นโลหะ ตารางที่ 1 เปรียบเทียบสมบัติของธาตุโลหะและอโลหะ สมบัติของโลหะ สมบัติของอโลหะ 1. มีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ยกเว้น ปรอท ซึ่งเป็นของเหลว 2. มีความเป็นมันวาว 3. น าไฟฟ้าและความร้อนได้ดี แต่การน า ไฟฟ้าจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 4. เคาะจะมีเสียงกังวาน 5. แข็งและเหนียว สามารถตีแผ่ให้เป็น แผ่นหรือดึงให้เป็นเส้นได้ 6. มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง 7. มีความหนาแน่นสูง 1. ที่อุณหภูมิห้องมีได้ทุกสถานะทั้งของแข็ง (C,P,S,I)ของเหลว (Br) และก๊าซ (เป็นส่วน ใหญ่) 2. ไม่มีความเป็นมันวาว 3. ไม่น าไฟฟ้าและความร้อน ยกเว้น แกรไฟต์ น าไฟฟ้าได้ 4. เคาะจะไม่มีเสียงกังวาน 5. ส่วนมากเปราะ ไม่สามารถจะท าให้เป็นแผ่น หรือเป็นเส้นได้ 6. ส่วนมากมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ า 7. ส่วนมากมีความหนาแน่นต่ า ธาตุกึ่งโลหะ (เมตัลลอยด์) จะแสดงสมบัติเป็นได้ทั้งโลหะและอโลหะ คือ มีสมบัติบางประการเหมือนโลหะและ สมบัติบางประการเหมือนอโลหะ 2. ใช้สถานะของธาตุเป็นเกณฑ์ แบ่งได้ 3 พวก คือ ของแข็ง ซึ่งมีทั้งโลหะ อโลหะ และ กึ่งโลหะ ของเหลว เช่นปรอท และก๊าซ ได้แก่ พวกก๊าซต่าง ๆ

วิวัฒนาการของตารางธาตุ ตารางธาตุ หมายถึง ตารางที่นักวิทยาศาสตร์จัดท าขึ้นเพื่อรวบรวมธาตุต่าง ๆ เอาไว้ด้วยกันให้เป็นหมวดหมู่ เพื่อสะดวกในการศึกษา ก่อนมาเป็นตารางธาตุในปัจจุบัน ตารางธาตุได้มีวิวัฒนาการแบบต่าง ๆ สรุปได้โดยย่อ ดังนี้ ปี พ.ศ.2360 (ค.ศ.1817) โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์ (Johann Wolfgang Dobereiner) นักเคมีคนแรกที่ พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่ม ๆ ละ 3 ธาตุ ตามสมบัติที่คล้ายคลึงกัน เรียกว่า ชุดสาม (Triad) และพบว่า ธาตุกลาง จะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีกสองธาตุที่เหลือ ตัวอย่างธาตุชุดสามของเดอเบอไรเนอร์ เช่น Li มวลอะตอม = 7.0 Na มวลอะตอม = 2 7.0 39.1 = 23 K มวลอะตอม = 39.1 แต่กฎนี้ใช้ได้กับธาตุบางหมู่เท่านั้น จึงไม่เป็นที่ยอมรับกัน ปี พ.ศ. 2407 (ค.ศ.1864) จอห์น อเล็กซานเดอร์ รีนา นิวแลนด์ส (John Alexander Reina Newlands) นัก เคมีชาวอังกฤษพบว่าถ้าน าธาตุมาเรียงตามมวลอะตอม จากน้อยไปมากแล้ว จะพบว่าธาตุที่ 8 จะมีสมบัติทางเคมีและ กายภาพ คล้ายธาตุที่ 1 และจะเกิดขึ้นทุกๆ ช่วงของธาตุที่ 8 เรียกการจัดนี้ว่า Law of Octaves กฎนี้ไม่เป็นที่ยอมรับ เนื่องจากไม่สามารถอธิบายได้ว่า มวลอะตอมกับสมบัติที่คล้ายกันของธาตุนั้นมีความสัมพันธ์กันอย่างไร และกฎนี้ใช้ได้ ถึงแคลเซียม (Ca) ที่มีมวลอะตอม 40 เท่านั้น เช่น ธาตุที่ 8 คือ โซเดียม (Na) จะมีสมบัติคล้ายกับธาตุที่ 1 คือ ลิเทียม (Li ) และถ้านับต่อไปจากโซเดียม (Na) ไปอีก 8 ธาตุ ก็คือ โปแตสเซียม (K) ดังนั้น Li , Na , K จะอยู่ในกลุ่ม เดียวกัน ปี พ.ศ. 2412–2413(ค.ศ.1869–1870) ดิมิทรี อิวาโนวิชเมนเดเลเอฟ (DmiTri Ivanovich Mendeleev) นัก เคมีชาวรัสเซียได้เสนอกฎที่เรียกว่า กฎพิริออดิก ซึ่งเป็นกฎที่ส าคัญทางเคมีเกี่ยวกับการจัดตารางธาตุ กฎพิริออดิก กล่าวว่า ถ้าจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมของธาตุต่าง ๆ จากน้อยไปมากธาตุที่มีสมบัติคล้ายกันจะ ปรากฎซ้ ากันและอยู่ตรงกันเป็นช่วง ๆ จากกฎพิริออดิก เมนเดเลเอฟ จึงจัดตารางธาตุขึ้น เรียกว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ เมนเดเลเอฟได้น าธาตุมาเรียงกันตามมวลอะตอม โดยเว้นที่ว่างส าหรับธาตุที่ยังไม่พบในขณะนั้น แต่คาดว่า น่าจะมีธาตุที่มีสมบัติตามต าแหน่งนั้นอยู่ ต่อมาภายหลังได้มีการค้นพบธาตุมากขึ้น ก็พบว่าถ้ายึดหลักการเรียงตามมวล อะตอมของเมนเดเลเอฟอย่างเคร่งครัด จะไม่สามารถท าให้ธาตุบางชนิดที่มีสมบัติคล้ายกันอยู่ในหมู่เดียวกันได้ จึงต้อง สลับที่ของธาตุบางตัว แต่เมนเดเลเอฟก็ไม่สามารถอธิบายได้ว่า เพราะเหตุใดจึงต้องจัดเรียงธาตุเช่นนั้น นักวิทยาศาสตร์ รุ่นต่อมาจึงเกิดแนวความคิดว่า ต าแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่น่าจะขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของธาตุ แต่น่าจะขึ้นกับ สมบัติอื่นที่มีความสัมพันธ์กับมวลอะตอม ต่อมาปี พ.ศ. 2546 (ค.ศ.1913) เฮนรี่ กวิน เจฟฟรีส์ โมสลีย์ (Henry Gwyn Jeffreys Moseley) พบว่า การเรียงธาตุตามเลขอะตอม (จ านวนโปรตอนหรืออิเล็กตรอน) จะสอดคล้องกับกฎพิริออดิกโดยไม่ต้องสลับที่ธาตุกัน เหมือนการเรียงตามมวลอะตอม และได้น ามาใช้การจัดตารางธาตุในปัจจุบัน

ตารางธาตุในปัจจุบัน ปัจจุบันนักเคมีพบว่า สมบัติต่างๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับการจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุ นั้น ๆ นั่นคือ ถ้าเรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปหามาก จะปรากฎธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันซ้ ากันเป็นช่วงตาม การจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุเหล่านั้น ปัจจุบันจึงจัดเรียงธาตุในตารางธาตุตามเลขอะตอม ตารางธาตุที่นิยมใช้ในปัจจุบันปรับปรุงมาจากตารางธาตุของเมนเดเลเอฟแต่เรียงธาตุตามล าดับเลขอะตอมจาก ซ้ายไปขวา โดยจัดธาตุออกเป็นหมู่และเป็นคาบ ดังรูป รูปที่ 1 ตารางธาตุในปัจจุบัน คาบ (Period) หมายถึง การจัดธาตุในแนวนอนของตารางธาตุ โดยที่แต่ละธาตุในคาบเดียวกันจะเรียง ตามล าดับของเลขอะตอมจากซ้ายไปขวาและจากน้อยไปมาก ซึ่งมีทั้งหมด 7 คาบ ธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกันจะมี ระดับพลังงานเดียวกัน ซึ่งจะมีค่าระดับพลังงาน (ค่า n) เท่ากับคาบนั้น หมู่ (Group) หมายถึง การจัดธาตุในแนวตั้งของตารางธาตุ โดยธาตุในแต่ละคาบจะมี 8 หมู่ เลขหมู่ที่ธาตุ นั้นอยู่จะมีค่าเท่ากับจ านวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานชั้นนอกสุด (Valence Electron) คาบ (จ านวนระดับพลังงาน) หมู่( เวเลนซ์อิเล็กตรอน)

ตัวอย่าง 11 Na มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น 2,8,1 แสดงว่ามีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 1 จึงอยู่หมู่ที่ 1 มีจ านวนระดับพลังงาน 3 ระดับพลังงาน คือ ระดับพลังงานที่ n = 1, n=2,n=3 จึงอยู่ในคาบที่ 3 36 Kr มีการจัดอิเล็กตรอนเป็น 2,8,18,8 แสดงว่ามีเวเลนซ์อิเล็กตรอน = 8 จึงอยู่ในหมู่ที่ 8 มีจ านวนระดับพลังงาน 4 ระดับพลังงาน คือ ระดับพลังงานที่ n = 1, n=2,n=3,n=4 จึงอยู่ในคาบที่ 4 ตารางธาตุที่ใช้กันมากในปัจจุบัน มีรูปแบบดังแสดงในรูปที่1 ซึ่งแบ่งธาตุในแนวตั้งออกเป็น 18 แถว ที่เรียกว่า หมู่ ธาตุในแนวตั้งยังแบ่งเป็นกลุ่มย่อย A กับ B โดยกลุ่ม A มี 8 หมู่ คือ หมู่ IA ถึง VIIIA ดังนี้คือ หมู่ที่ 1 ชื่อหมู่โลหะแอลคาไล Li Lithium ลิเทียม Na Sodium โซเดียม (Natrium) K Potassium โปแทสเซียม (Kalium) Rb Rubidium รูบิเดียม Cs Cesium ซีเซียม Fr Francium แฟรนเซียม หมู่ที่ 2 ชื่อหมู่ โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท Be Beryllium เบริลเลียม Mg Megnesium แมกนีเซียม Ca Calcium แคลเซียม Sr Strontium สทรอนเทียม Ba Barium แบเรียม Ra Radium เรเดียม หมู่ที่ 3 B Boron โบรอน Al Aluminium อะลูมิเนียม Ga Gallium แกลเลียม In Indium อินเดียม Ti Thallium แทลเลียม หมู่ที่ 4 C Carbon คาร์บอน Si Silicon ซิลิกอน Ge Germannium เจอร์เมเนียม Sn Tin ทิน(ดีบุก) (Stannum) Pb Lead เลด (ตะกั่ว) (Plumbum) หมู่ที่ 5 N Nitrogen ไนโตรเจน P Phosphorus ฟอสฟอรัส As Arsenic อาร์เซนิก (สารหนู) Sb Antimony แอนติมอนี(พลวง) (stibium) Bi Bismuth บิสมัท หมู่ที่ 6 O Oxygenออกซิเจน S Sulphur ซัลเฟอร์(ก ามะถัน) Se Selenium ซีลีเนียม Te Tellurium เทลลูเรียม Po Polonium พอโลเนียม

หมู่ที่ 7 ชื่อหมู่ แฮโลเจน H Hydrogen ไฮโดรเจน F Fluorine ฟลูออรีน CI Chlorine คลอรีน Br Bromine โบรมีน I Iodine ไอโอดีน At Astatine แอสทาทีน หมู่ที่ 8 ชื่อหมู่ ก๊าซเฉื่อย หรือ ก๊าซมีตระกูล He Helium ฮีเลียม Ne Neon นีออน Ar Argon อาร์กอน Kr Krypton คริปตอน Xe Xenon ซีนอน Rn Radon เรดอน ส าหรับกลุ่ม B ซึ่งอยู่ระหว่างธาตุหมู่ IIA กับ IIIA เรียกว่า แทรนซิซัน ซึ่งเป็นโลหะเหมือนกับธาตุหมู่ IA และ IIA แบ่งออกเป็น 8 หมู่ เช่นเดียวกัน แทรนซิซันที่ควรรู้จัก Cr Chromium โครเมี่ยม , Mn Manganese แมงกานีส Fe Iron ไอรอน(เทล็ก)(Ferrum) , Co Cobal โคบอลต์ Ni Nickel นิกเกิล , Cu Copper คอปเปอร์ หรือทองแดง (Cuprum) Zn Zinc ซิงค์ (สังกะสี) , Ag Silver ซิลเวอร์ (เงิน) (Argentum) Cd Cadmium แคดเมียม , Au Gold โกลด (ทอง) (Aurum ) W Tungsten ทังสแตน (Wolfram) , Hg mercury เมอร์คิวรี (ปรอท) (Hydrargyrum) ธาตุในแต่ละคาบจะมีจ านวนไม่เท่ากัน ถ้าพิจารณาจากตารางธาตุจะพบว่า คาบที่ 1 มี 2 ธาตุ คือ H และ He คาบที่ 2 มี 8 ธาตุ จาก Li Ne คาบที่ 3 มี 8 ธาตุ จาก Na Ar คาบที่ 4 มี 18 ธาตุ จาก K Kr คาบที่ 5 มี 18 ธาตุ จาก Rb Xe คาบที่ 6 มี 32 ธาตุ จาก Cs Rn คาบที่ 7 มี 20 ธาตุ จาก Fr Unh ส าหรับธาตุ 2 แถวล่างที่มีเลขอะตอม ตั้งแต่ 58 –71 เป็นกลุ่มย่อยของธาตุในคาบที่ 6 เรียก กลุ่มธาตุแลน ทาไนด์ และธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ 90-103 เป็นกลุ่มย่อยของธาตุในคาบที่ 7 เรียก กลุ่มแอกทิไนด์ ค่อนไปทางขวามือของตารางธาตุจะมีเส้นหนักเป็นขั้นบันได ธาตุทางขวาของเส้นจะเป็นอโลหะ ส่วนทางซ้าย ของเส้นจะเป็นโลหะ ส าหรับธาตุที่อยู่ชิดเส้นแบ่งนี้จะมีสมบัติเป็นทั้งโลหะและอโลหะ ได้แก่ โบรอน ซิลิคอน เจอร์เมเนียม สารหนู พลวง เทลลูเลียม และ แอสทาทีน เรียกธาตุพวกนี้ว่าธาตุ กึ่งโลหะ

ใบงานที่ 1 ตารางธาตุ 1. ค าชี้แจง ให้นักเรียนพิจารณาข้อความต่อไปนี้ ถ้าข้อใดถูกต้องให้เขียนเครื่องหมาย และถ้าข้อใดผิดให้เขียน เครื่องหมาย X ข้างหน้าข้อความนั้น ค าตอบ ข้อที่ ข้อความ 1 นักวิทยาศาสตร์ที่จัดธาตุเป็นหมวดหมู่ โดยใช้หลัก "ธาตุชุดสาม" คือ จอห์น นิวแลนด์ 2 ในคาบเดียวกันความเป็นอโลหะของธาตุจะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา ของตารางธาตุ 3 ตารางธาตุประกอบด้วยธาตุทั้งหมด 7 คาบ และ 18 หมู่ 4 ธาตุที่อยู่หมู่เดียวกันจะมีจ านวนระดับพลังงานเท่ากัน 5 20Ca เป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่ม s-block 6 กฎพิริออดิก กล่าวว่า ถ้าจัดเรียงธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปหามาก ธาตุจะมีสมบัติ คล้ายกันเป็นช่วง ๆ 7 ตัวอย่างของธาตุกึ่งโลหะ เช่น Si As Te Ar Br 8 ธาตุ 13A และ 31X เป็นธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกัน 9 ธาตุ Al มีความเป็นโลหะมากกว่าธาตุ N 10 10 ธาตุที่มีเลขอะตอม 120 มีสัญลักษณ์ คือ Ubn 2. ค าชี้แจง ให้นักเรียนจับคู่ข้อความต่อไปนี้ให้ถูกต้อง …….....1. ธาตุหมู่ IA ถึง VIIIA A. โลหะแอลคาไล .......... 2. ธาตุหมู่ VIIA B. โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท .......... 3. ธาตุที่อยู่ในแนวตั้ง C. แก๊สเฉื่อย .......... 4. ธาตุที่มีเลขอะตอม 58 ถึง 71 D. ธาตุแลนทาไนด์ .......... 5. ธาตุหมู่ IIA E. ธาตุแอกทิไนด์ .......... 6. ธาตุ Li , Na , K F. ธาตุแทรนซิชัน .......... 7. ธาตุที่อยู่ระหว่างหมู่ IIA และ IIIA G. ธาตุแฮโลเจน .......... 8. ธาตุที่อยู่แนวนอน H. หมู่ .......... 9. เกณฑ์ที่ใช้จัดธาตุในตารางธาตุปัจจุบัน I. คาบ .......... 10. ธาตุ Kr , Xe , Rn J. ธาตุเรพรีเซนเททีฟ K. เลขอะตอม L. มวลอะตอม M. ธาตุ