ตารางธาตุ

ประวัติตารางธาตุ

ในปี พ.ศ. 2360โยฮันน์ เดอเบอไรเนอร์เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พยายามจัดธาตุเป็นกลุ่มละ 3 ธาตุตามสมบัติที่คล้ายคลึงกันเรียกว่า ชุดสาม โดยพบว่าธาตุกลางจะมีมวลอะตอมเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีก 2 ธาตุที่เหลือ ตัวอย่างเช่น ธาตุ Na ที่เป็นธาตุกลางระหว่างธาตุ Li กับ K จะมีมวลอะตอมเท่ากับ 23 ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของธาตุ Li คือ 7 กับมวลอะตอมของธาตุ K คือ 39 แต่เมื่อนำหลักของชุดสามไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายกัน มวลอะตอมของธาตุกลางไม่ได้เป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของอีก 2 ธาตุที่เหลือ หลักชุดสามของเดอเบอไรเนอร์ จึงไม่เป็นที่ยอมรับในเวลาต่อมา

ตัวอย่างธาตุชุดสามของเดอเบอไรเนอร์เช่น

Liมวลอะตอม=7.0

Naมวลอะตอม=23

Kมวลอะตอม=39.1

แต่กฎนี้ใช้ได้กับธาตุบางหมู่เท่านั้นจึงไม่เป็นที่ยอมรับกัน

จอห์น นิวแลนด์นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอกฎในการจัดธาตุเป็นหมวดหมู่เมื่อปี พ.ศ. 2407 ว่า ถ้านำธาตุมาเรียงลำดับตามมวลอะตอมจะพบว่าธาตุที่ 8 มีสมบัติคล้ายธาตุที่ 1 (ไม่รวมธาตุไฮโดรเจนและแก๊สเฉื่อย) เช่น ถ้าให้ธาตุ Li เป็นธาตุที่ 1 แล้ว ธาตุ Na จะเป็นธาตุที่ 8 ซึ่งมีสมบัติคล้ายกับธาตุ Li ดังตัวอย่างการจัดต่อไปนี้
Li Be B C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
K Ca
การจัดเรียงธาตุตามแนวคิดของนิวแลนด์ใช้ได้ถึงธาตุแคลเซียม (Ca) เท่านั้น อีกทั้งยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดมวลอะตอมจึงเกี่ยวข้องกับสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุ กฎนี้จึงไม่เป็นที่ยอมรับ

ยูลิอุสโลทาร์ ไมเออร์นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน และดิมิทรี อิวา-โนวิช เมนเดเลเอฟนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย ได้ศึกษารายละเอียดของธาตุต่าง ๆ มากขึ้นและมีข้อสังเกตเป็นอย่างเดียวกันในเวลาใกล้เคียงกันว่า ถ้าจัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก ธาตุจะมีสมบัติคล้ายกันเป็นช่วง ๆ ซึ่งเมนเดเลเอฟตั้งเป็นกฎเรียกว่า กฎพิริออดิก โดยได้เสนอความคิดนี้ในปี พ.ศ. 2412 ก่อนที่ไมเออร์จะนำผลงานของเขาออกเผยแพร่ในปีต่อมา และเพื่อเป็นการให้เกียรติแก่เมนเดเลเอฟ จึงใช้ชื่อว่า ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ

เมนเดเลเอฟได้จัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ให้อยู่ในแนวตั้งหรือหมู่เดียวกันและพยายามเรียงลำดับมวลอะตอมของธาตุจากน้อยไปหามาก ถ้าเรียงตามมวลอะตอมแล้วมีสมบัติไม่สอดคล้องกัน ก็พยายามจัดให้เข้าหมู่โดยเว้นช่องว่างไว้ในตำแหน่งที่คิดว่าน่าจะเป็นธาตุที่ยังไม่มีการค้นพบ และยังได้ใช้สมบัติของธาตุและสารประกอบอื่น ๆ นอกเหนือจากคลอไรด์และออกไซด์มาประกอบการพิจารณาด้วย โดยตำแหน่งของธาตุในตารางจะมีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ ซึ่งช่วยให้เมนเดเลเอฟสามารถทำนายสมบัติของธาตุในช่องว่างได้อย่างใกล้เคียง

อย่างไรก็ตาม เมนเดเลเอฟไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดจึงต้องยกเว้นไม่จัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมในกรณีที่ธาตุมีสมบัติไม่สอดคล้องกัน เนื่องจากสมัยนั้นนักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาโครงสร้างของอะตอมและไอโซโทปได้ไม่ชัดเจน ทำให้นักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาเกิดแนวความคิดว่า ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่น่าจะขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของธาตุ แต่น่าจะขึ้นอยู่กับสมบัติอื่นที่มีความสัมพันธ์กับมวลอะตอม 
เฮนรี โมสลีย์นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอให้จัดเรียงธาตุตามเลขอะตอม เนื่องจากสมบัติต่าง ๆ ของธาตุมีความสัมพันธ์กับประจุบวกในนิวเคลียสหรือเลขอะตอมมากกว่ามวลอะตอม จึงมีการปรับปรุงตารางธาตุของเมนเดเลเอฟให้จัดเรียงธาตุตามลำดับของเลขอะตอมแทนมวลอะตอม ซึ่งเป็นตารางธาตุที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน

สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ

พลังงานไอออไนเซชัน(ionization energy)

ความหมาย
          พลังงานไอออไนเซชัน คือ พลังงานที่ใช้ในการดึงอิเล็กตรอน 1 อนุภาค ออกจากอะตอมในสถานะแก๊ส กลายเป็นไอออนบวก

               - ธาตุที่มีอิเล็กตรอน 1 ตัว คือ ธาตุไฮโดรเจน(H)

H(g)  H⁺(g) + e^-               IE=1,318 kJ/mol

                  ธาตุไฮโดรเจนมีพลังงานไอออไนเซชันเท่ากับ 1,318 กิโลจูลต่อโมล แสดงว่าเราต้องให้พลังงานแก่ธาตุไฮโดรเจน 1,318
กิโลจูลต่อโมล จึงจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา

                - ธาตุที่มีอิเล็กตรอนมากกว่า 1 ตัว เช่น ธาตุลิเทียม(Li)
                                        Li(g)  Li⁺(g) + e^-               IE₁ = 520 kJ/mol
                                        Li⁺(g)  Li²⁺(g) + e^-            IE₂ = 7,394 kJ/mol
                                        Li²⁺(g)  Li³⁺(g) + e^-           IE₃ = 11,815 kJ/mol

                   จากการสังเกตจากค่าพลังงานไอออไนเซชันจะพบว่า IE₁ คือพลังงานที่ให้แก่อะตอมเพื่อดึงอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุด(เวเลนซ์อิเล็กตรอน) มีค่าน้อยที่สุด เพราะอิเล็กตรอนที่อยู่ห่างจากนิวเคลียสหลุดออกได้ง่าย ไม่ต้องใช้พลังงานมากเพราะได้รับแรงดึงดูดจากนิวเคลียสน้อย แต่อิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้นิวเคลียสจะถูกดึงดูดไว้เราต้องใช้พลังงานมาก เพื่อที่จะทำให้อิเล็กตรอนนั้นหลุดออกมา ดังนั้นค่า IE₃ จึงมีค่ามากที่สุด

     แนวโน้มพลังงานไอออไนเซชันของธาตุต่าง ๆ ในตารางธาตุ

          - ธาตุในหมู่เดียวกัน พลังงานไอออไนเซชันลดลงจากบนลงล่าง เพราะระยะห่างระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น ทำให้แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนลดลง อิเล็กตรอนจึงหลุดจากอะตอมได้ง่าย เช่น ธาตุในหมู่ IA
พลังงานไอออไนเซชัน Li > Na > K > Rb > Cs > Fr
          - ธาตุในคาบเดียวกัน พลังงานไอออไนเซชันเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา เพราะค่าประจุนิวเคลียสสุทธิมากขึ้น อะตอมขนาดเล็ก จึงมีแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนมากขึ้น ทำให้อิเล็กตรอนหลุดยาก จึงต้องใช้พลังงานสูงในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม เช่น ธาตุในคาบที่ 2 พลังงานไอออไนเซชัน Li < Be < B < C < N < O < F

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน(electron affinity)

ความหมาย           สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน คือ พลังงานที่อะตอมในสถานะแก๊สคายออกมาเมื่อได้รับอิเล็กตรอน F(g) + e-  F-(g) + 328 kJ/mol      แนวโน้มสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนของธาตุต่าง ๆ ในตารางธาตุ           - ค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเป็นลบเพราะระบบ(อะตอม)คายพลังงานออกมาเมื่อรับอิเล็กตรอนเข้าไป ตามหลักเทอร์โมไดนามิกส์(thermodynamics)           - ถ้าเราพิจารณาค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนโดยไม่คำนึงถึงค่าที่เป็นลบ จะเห็นว่า           - ธาตุในหมู่เดียวกัน สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนลดลงจากบนลงล่าง เช่น ธาตุในหมู่ IA สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน Li > Na > K > Rb > Cs แสดงว่า Li รับอิเล็กตรอนเข้ามาในอะตอมได้ดีกว่า Cs           - ธาตุในคาบเดียวกัน สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา เช่น ธาตุในคาบที่ 2 สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน Li < Be < B < C < N < O < F แสดงว่า F รับอิเล็กตรอนเข้ามาในอะตอมได้ดีกว่า Li อิเล็กโทรเนกาติวิตี(electronegativity) ความหมาย           อิเล็กโทรเนกาติวิตี หมายถึง ความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนในพันธะเข้ามาหาตัวเอง อะตอมของ Cl มีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองได้ดีกว่า Na แสดงว่า Cl มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่า Na      แนวโน้มอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุต่าง ๆ ในตารางธาตุ        - ธาตุในหมู่เดียวกัน ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีลดลงจากบนลงล่าง เช่น ธาตุในหมู่ IA อิเล็กโทรเนกาติวิตี Li > Na > K > Rb > Cs > Fr           - ธาตุในคาบเดียวกัน ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวา เช่น ธาตุในคาบที่ 2 อิเล็กโทรเนกาติวิตี Li < Be < B < C < N < O < F           - จากภาพจะได้ว่า F มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด แสดงว่า F สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนเข้าหาตัวเองได้ดีที่สุด ส่วนธาตุอื่น ๆ จะมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยกว่า เลขออกซิเดชัน