ตารางธาตุและสมบัติของธาตุ

ตารางธาตุและสมบัติของธาตุตารางธาตุและสมบัติของธาตุ

ค.ศ. 1869 Dmitri Mendeleev (รัสเซีย) และ Lothar Meyer (เยอรมัน) ต่างเสนอตารางธาตุโดยเสนอว่า ธาตุต่างๆ สามารถจัดให้เป็นกลุ่ม ซึ่งมีสมบัติคล้ายคลึงกัน และ สมบัติที่คล้ายคลึงกัน จะเกิดขึ้นเป็นระยะ (periodic)เมื่อจัดเรียงธาตุ ตามน้ำหนักอะตอม งานวิจัยของ Rutherfordและบุคคลอื่นๆ แสดงให้เห็นว่า สมบัติและพฤติกรรมของธาตุและสารประกอบของธาตุนั้นจะคล้ายคลึงกันเป็นระยะๆ เมื่อจัดเรียงธาตุตามเลขอะตอม “กฎพิริออดิก (periodic law)”

ตารางธาตุ

ตารางธาตุในปัจจุบัน การแบ่งประเภทของธาตุ สามารถแบ่งได้หลายแบบ เช่น 1. คาบ (periods) สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุในคาบเดียวกันมี ความแตกต่างกัน หมู่ (groups)สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุในหมู่เดียวกันมี ความคล้ายคลึงกัน 2. ธาตุเรพรีเซนเตตีฟ(representative elements)ได้แก่ ธาตุหมู่IA – VIIIA main group elements ธาตุทรานสิชัน (transition elements)ได้แก่ธาตุหมู่IB - VIIIB ธาตุทรานสิชันชั้นใน (inner transition elements)ได้แก่ ธาตุในอนุกรมแลนทาไนด์ (lanthanides)และอนุกรมแอกทิไนด์ (actinides)

ชื่อเฉพาะตามหมู่ หมู่ IA : โลหะอัลคาไล (alkali metals) หมู่ IIA : โลหะอัลคาไลน์เอิร์ท (alkaline earth metals) หมู่ VIA: chalcogens หมู่ VIIA: เฮโลเจน(halogens) หมู่ VIIIA: แก๊สมีตระกูล (noble gases)

แนวโน้มของสมบัติตามตารางธาตุแนวโน้มของสมบัติตามตารางธาตุ 1.ขนาดของอะตอม • ถ้าเลขควอนตัมหลักเพิ่มขึ้น ขนาดของออร์บิทัลจะเพิ่มขึ้น • ขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นจากบนลงล่าง (ธาตุหมู่เดียวกัน) • ขนาดอะตอมเล็กลงจากซ้ายไปขวา

ขนาดของอะตอม • เมื่อเลขควอนตัมหลักเพิ่มขึ้น ระยะทางจากนิวเคลียสถึงอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจะมากขึ้น จึงส่งผลให้รัศมีอะตอมมีค่ามากขึ้น • ธาตุในคาบเดียวกัน มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่มีเลขควอนตัมหลักเท่ากัน แต่ธาตุด้านขวามือจะมีประจุบวกที่นิวเคลียสเพิ่มขึ้น ดังนั้น แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนวงนอกสุดจึงเพิ่มขึ้น รัศมีอะตอมจึงลดลง

2.ขนาดของไอออน • ขนาดของไอออนขึ้นกับประจุบวกของนิวเคลียส จำนวนอิเล็กตรอน และออร์บิทัลของเวเลนซ์อิเล็กตรอน • ไอออนบวกของธาตุใดๆ เป็นการดึงเอาอิเล็กตรอนออกจากอะตอม ทำให้มีขนาดรัศมีเล็กลงกว่าอะตอมเดิม • ไอออนลบของธาตุใดๆ จะเป็นการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอน ทำให้มีขนาดรัศมีเพิ่มขึ้นจากอะตอมเดิม

ขนาดของไอออน • ไอออนที่มีประจุเท่ากัน รัศมีไอออนของหมู่เดียวกันจะเพิ่มขึ้นจากบนลงล่าง • ไอออนที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน(isoelectronic series)ถ้าประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น รัศมีของไอออนจะมีขนาดเล็กลง เช่น • O2- > F- > Na+ > Mg2+ > Al3+

3.พลังงานไอออไนเซชัน • พลังงานไอออไนเซชันที่หนึ่ง (I1) เป็นพลังงานที่ต้องใช้ในการดึงอิเล็กตรอนตัวแรกออกจากอะตอมอิสระในสถานะแก๊ส • Na(g)  Na+(g) + e- • พลังงานไอออไนเซชันที่สอง (I2) เป็นพลังงานที่ต้องใช้ในการดึงอิเล็กตรอนออกจากไอออนที่มีประจุ +1 ในสถานะแก๊ส • Na+(g)  Na2+(g) + e- • ค่าพลังงานไอออไนเซชันสูงแสดงว่าการดึงอิเล็กตรอนออกไปทำได้ยาก

พลังงานไอออไนเซชัน • พลังงานไอออไนเซชันในแต่ละธาตุ จะมีค่าสูงเพิ่มขึ้นมาก เมื่อเกี่ยวข้องกับการดึงอิเล็กตรอนออกจากสภาวะที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนคล้ายแก๊สมีตระกูล (inner-pair effect)

พลังงานไอออไนเซชัน • ค่าพลังงานไอออไนเซชันในหมู่เดียวกันจะลดลงจากบนลงล่าง เนื่องจากธาตุคาบล่างมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดที่สามารถดึงออกได้ง่าย • แนวโน้มพลังงานไอออไนเซชันที่หนึ่ง จะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาในคาบเดียวกัน เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น ยกเว้นบางธาตุ • ข้อยกเว้น การดึงอิเล็กตรอนจากธาตุที่มีการจัดอิเล็กตรอนแบบบรรจุเต็ม และบรรจุครึ่งออร์บิทัล

พลังงานไอออไนเซชัน • การจัดอิเล็กตรอนแบบบรรจุเต็มและบรรจุครึ่งส่งผลให้อะตอมมีความเสถียรมากกว่า เช่น • การจัดเรียงอิเล็คตรอนแบบ s2p3จะเสถียรกว่าการจัดเรียง แบบs2p4 • การบรรจุเต็มจะเสถียรกว่าบรรจุครึ่ง เช่น • การจัดเรียงอิเล็คตรอนแบบ s2p0จะเสถียรกว่าการจัดเรียง แบบs1p1

พลังงานไอออไนเซชัน • การจัดเรียงอิเล็กตรอนของไอออน • ไอออนบวก: อิเล็กตรอนที่อยู่ในออร์บิทัลที่มีเลขควอนตัมสูงสุดจะถูกดึงออกไปก่อน: • Li (1s2 2s1)  Li+ (1s2) • Fe ([Ar]3d6 4s2)  Fe3+ ([Ar]3d5) • ไอออนลบ: จะเติมอิเล็กตรอนในออร์บิทัลที่มีเลขควอนตัมสูงสุด: • F (1s2 2s2 2p5)  F-(1s2 2s2 2p6)

4.สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน4.สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน Electron affinity • สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนจะตรงข้ามกับพลังงานไอออไนเซชัน • สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเป็นพลังงานที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมในสถานะแก๊สรับอิเล็กตรอนเกิดเป็นไอออนที่มีประจุ -1 ในสภาพที่เป็นแก๊ส: • Cl(g) + e- Cl-(g) • สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสามารถเป็นได้ทั้งการคายพลังงาน (ตัวอย่างข้างบน) หรือเป็นการดูดพลังงาน เช่น • Ar(g) + e- Ar-(g)

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน • การเติมอิเล็กตรอนเพิ่มลงไปอีกในAr ทำให้ต้องมีการเติมอิเล็กตรอนลงในออร์บิทัล4s ซึ่งมีพลังงานสูงกว่าออร์บิทัล3p มากพลังงานจึงมีค่าบวก (ดูดพลังงาน)

ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

5.ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี5.ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี • ความสามารถที่อะตอมจะดึงดูดอิเล็กตรอนเข้ามาหาอะตอมนั้น • จะเพิ่มจากซ้ายไปขวาในคาบเดียวกัน และลดลงจากบนล่าง

โลหะ อโลหะ และกึ่งโลหะ

โลหะ • โลหะส่วนใหญ่เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี ตีแผ่ให้เป็นแผ่นหรือดึงเป็นเส้นได้ ออกไซด์ของโลหะเป็นเบส มักมีเลขออกซิเดชันเป็นบวกเมื่อเกิดเป็นสารประกอบ • ธาตุหมู่เดียวกัน ความเป็นโลหะจะลดลงจากบนลงล่าง • ธาตุคาบเดียวกัน ความเป็นโลหะจะลดลงจากซ้ายลงไปขวา • โลหะมีค่าพลังงานไอออไนเซชันต่ำ • โลหะส่วนใหญ่มักจะถูกออกซิไดส์มากกว่าถูกรีดิวซ์

โลหะ • เมื่อโลหะถูกออกซิไดส์ โลหะจะกลายเป็นไอออนบวก • โลหะหมู่ 1A จะเกิดไอออน M+ • โลหะหมู่ 2A จะเกิดไอออน M2+ • ขณะที่โลหะทรานสิชันสามารถมีประจุได้หลายค่า • ออกไซด์ของโลหะเป็นออกไซด์เบส: • Metal oxide + water  metal hydroxide • Na2O(s) + H2O(l)  2NaOH(aq)

เลขออกซิเดชันของโลหะ อโลหะ และกึ่งโลหะ

อโลหะ • เมื่ออโลหะทำปฎิกิริยาหรือเกิดเป็นสารประกอบกับโลหะ อโลหะจะมีแนวโน้มเป็นตัวให้อิเล็กตรอน: • metal + nonmetal  salt • 2Al(s) + 3Br2(l)  2AlBr3(s) • ออกไซด์ของอโลหะเป็นออกไซด์กรด: • nonmetal oxide + water  acid • P4O10(s) + H2O(l)  4H3PO4(aq)

กึ่งโลหะ • กึ่งโลหะเป็นธาตุที่มีสมบัติอยู่ระหว่างโลหะและอโลหะ เช่น ซิลิกอน เป็นธาตุที่มีความมันวาว แต่เปราะ • ธาตุกึ่งโลหะมีการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ

โลหะหมู่ IA (โลหะอัลคาไล)

Li line: 2p  2s transition Na line (589 nm): 3p  3s transition K line: 4p  4s transition โลหะหมู่ IA

โลหะหมู่ IIA (alkali earth)

สมบัติบางประการของโลหะหมู่ IIA

สมบัติบางประการของธาตุหมู่ IIIA

Borane chemistry

ธาตุหมู่ IVA

ธาตุหมู่ VA Pnictogens

ธาตุหมู่ VIA (chalcogens) • O, S, Se (nonmetals), Te, Po (metalloids) • ns2 ((n-1)d10) np4 electron configurations • elements O2 (g), O3(g), S8 (s) etc. • O, S, Se, Te add 2 e- to form E2- [Noble gas] • form many M (II), (IV) and (VI) compounds • many molecular rather than ionic compounds, e.g., SO2(g), SF6(g), H2Se(g)

สมบัติบางประการของธาตุหมู่ VIA

ตารางธาตุและสมบัติของธาตุ