ตารางธาตุและสมบัติของธาตุหมู่หลัก

การจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ของนักเคมียุคต่าง ๆ

ตารางธาตุ หมายถึง ตารางที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นมา เพื่อแบ่งธาตุที่มีสมบัติเหมือนกันออกเป็นหมวดหมู่  เพื่อให้ง่ายแก่การศึกษา  โดยแบ่งธาตุทั้งหมดออกเป็นหมู่และคาบ

ธาตุที่อยู่ในแนวดิ่งเดียวกัน เรียกว่า อยู่ใน หมู่ เดียวกัน

ธาตุที่อยู่ในแนวนอนเดียวกัน เรียกว่า อยู่ใน คาบ เดียวกัน

ในระหว่างปี พ.ศ. 2346  ถึง 2456  มีธาตุต่าง ๆที่พบในธรรมชาติประมาณ  63  ธาตุ  ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้พยายามจัดธาตุเหล่านี้ให้เป็นหมวดหมู่หรือเป็นตารางธาตุโดยในช่วงแรก ๆ นั้นแบ่งธาตุออกเป็นหมวดหมู่โดยอาศัยสมบัติของธาตุ   ทั้งนี้ได้จากการสังเกตพบความคล้ายคลึงกันของสมบัติของธาตุเป็นกลุ่ม ๆ  ทำให้นำมาจัดเป็นตารางธาตุได้  เช่นแบ่งกลุ่มโดยอาศัยสมบัติเกี่ยวกับโลหะ-อโลหะ  โดยอาศัยสมบัติของความเป็นกรด-เบสของธาตุ เป็นต้น  ต่อมาเมื่อหามวลอะตอมของธาตุได้  จึงใช้มวลอะตอมมาประกอบในการจัดตารางธาตุ  จนในปัจจุบันจัดตารางธาตุโดยอาศัยการจัดเรียงอิเล็กตรอน

1. ตารางธาตุของเดอเบอไรเนอร์

การจัดตารางธาตุนั้นเริ่มขึ้นตั้งแต่ปี พ.ศ.  2360 (ค.ศ. 1817) โดย โยฮันน์  เดอเบอไรเนอร์ (Johaun  Dobereiner)  นักเคมีชาวเยอรมัน  ได้นำธาตุต่าง ๆ ที่พบในขณะนั้นมาจัดเรียงเป็นตารางธาตุ โดยนำธาตุต่าง ๆ ที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันมาจัดไว้ในหมู่เดียวกัน  หมู่ละ  3  ธาตุ  เรียงตามมวลอะตอมจากน้อยไปมากในแต่ละหมู่  มวลอะตอมของธาตุที่อยู่กลางจะเป็นค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของธาตุที่เหลืออีก  2  อะตอม เรียกว่า กฎชุดสาม (law of  triads หรือ Dobereine’s law  of  triads)

ตารางที่ 8 มวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุบางกลุ่มตามกฎชุดสาม

จะเห็นได้ว่ามวลอะตอมเฉลี่ย มีค่าใกล้เคียงกับมวลอะตอมของธาตุกลาง  อย่างไรก็ตาม  เมื่อนำกฎดังกล่าวไปใช้กับธาตุกลุ่มอื่นที่มีสมบัติคล้ายคลึงกัน  ปรากฏว่าไม่มีผลเท่าที่ควร  มวลอะตอมของธาตุกลางไม่เท่ากับค่าเฉลี่ยของมวลอะตอมของธาตุที่เหลือ  กฎชุดสามของเดอเบอไรเนอร์จึงไม่เป็นที่ยอมรับกันในเวลาต่อมา

2. ตารางธาตุของนิวแลนด์

ในปี พ.ศ. 2407 (ค.ศ. 1864) จอห์น  นิวแลนด์  (John  Newlands)  นักเคมีชาวอังกฤษได้พบว่าเมื่อนำธาตุต่าง ๆ มาเรียงลำดับตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก ให้เป็นแถวตามแนวนอน สมบัติของธาตุจะมีลักษณะคล้ายกันเป็นช่วง ๆ ซึ่งลักษณะดังกล่าวเกิดขึ้นทุก ๆ ของธาตุที่  8

เช่น  ถ้าเริ่มต้นจากธาตุ  Li  แล้วเรียงลำดับมวลอะตอมไปถึงธาตุที่  8 จะตรงกับ  Na  ซึ่ง  Li  และ Na  มีสมบัติต่าง ๆ คล้ายคลึงกัน

ตารางที่ 9 ตัวอย่างการจัดตารางธาตุของนิวแลนด์ส์

เรียกกฎการจัดตารางธาตุของนิวแลนด์ส์ว่า law of octaves หรือ Newlands’  law of octaves  อย่างไรก็ตาม กฎนี้ไม่เป็นที่ยอมรับกัน  เนื่องจากไม่สามารถอธิบายว่าเหตุใดมวลอะตอมจึงมาเกี่ยวข้องกับความคล้ายคลึงดังกล่าว  นอกจากกฎนี้แล้วก็ยังใช้ได้กับ  ธาตุที่มีมวลอะตอมต่ำ ๆ ไม่เกิน  20  ธาตุแรกเท่านั้น  หลังจากนั้นจะใช้กฎนี้ไม่ได้

3. ตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ

ในระหว่างปี พ.ศ. 2412 - 2413 (ค.ศ. 1269 - 1270)  ยูลิอุส  ไมเออร์ (Julius  Meyer)  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน และดิมิทรี  เมนเดเลเอฟ (Dimitri  Mendelejev)  นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้พบในเวลาใกล้เคียงกันว่าสมบัติต่าง ๆ ของธาตุมีส่วนสัมพันธ์กับมวลอะตอมของธาตุกล่าวคือ  “ถ้าเรียงลำดับธาตุตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก  จะพบว่าธาตุ ๆ  ต่าง จะมีสมบัติคล้ายคลึงกันเป็นช่วง ๆ ”   ซึ่งเมเดเลเอฟได้ตั้งเป็นกฎเรียกว่า  “กฎพิริออดิก”  หรือกฎตารางธาตุ  (Periodic  law)  และพิมพ์เผยแพร่ในปี พ.ศ. 2412  ก่อนที่ไมเออร์จะพิมพ์เผยแพร่ครั้งหนึ่ง  ดังนั้นเพื่อเป็นเกียรติแก่เมนเดเลเอฟ  จึงเรียกตารางนี้ว่า “ตารางพีริออดิกของเมนเดเลเอฟ”  หรือตารางธาตุของเมนเดเลเอฟ (Mendelejev’ s  periodic  table)

เกณฑ์ที่สำคัญที่เมนเดเลเอฟใช้ คือ จัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ให้อยู่ในหมู่หรือในแนวตั้งเดียวกัน  และพยายามเรียงลำดับมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก  ในกรณีที่เรียงตามมวลอะตอมแล้วสมบัติของธาตุไม่สอดคล้องกัน  ก็พยายามจัดให้เข้าหมู่โดยปล่อยให้ช่องว่างเว้นไว้ในตารางซึ่งเมนเดเลเอฟคิดว่า  ช่องว่างเหล่านั้นน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุซึ่งยังไม่มีการค้นพบในขณะนั้น  ในการจัดตารางธาตุนอกจากจะใช้มวลอะตอมแล้ว ยังใช้สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของสารประกอบอื่น ๆ นอกเหนือจากสารประกอบคลอไรด์ และออกไซด์มาประกอบการพิจารณาด้วย

ตารางที่ 10 ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ

ช่องว่างที่เว้นไว้คือตำแหน่งของธาตุที่ยังไม่พบในสมัยนั้น  เนื่องจากตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุ  ทำให้เมนเดเลเอฟสามารถทำนายสมบัติของธาตุไว้ล่วงหน้าได้ด้วย โดยการศึกษาสมบัติเกี่ยวกับจุดหลอมเหลว  จุดเดือด  ความถ่วงจำเพาะ  และความร้อนจำเพาะ รวมทั้งสมบัติเกี่ยวกับสารประกอบคลอไรด์ และออกไซด์

ตัวอย่างเช่น  ธาตุที่อยู่ในช่องว่างใต้  Si  เมนเดเลเอฟเรียกชื่อว่าธาตุเอคาซิลิคอน อีก  15 ปีต่อมาคือในปี  พ.ศ. 2429 (ค.ศ. 1886)  เคลเมนส์ วิงค์เลอร์ (Clemens   Winkler)  นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันจึงได้พบธาตุนี้และเรียกชื่อว่า ธาตุเจอร์เมเนียม (Ge)  นั่นเอง 

ตารางที่ 11 เปรียบเทียบสมบัติของธาตุเอคาซิลิคอนกับเจอร์เมเนียมที่ทำนายและที่ค้นพบ

นอกจากธาตุเอคาซิลิคอนแล้ว ยังมีธาตุอื่นที่เมนเดเลเอฟ ได้เรียกชื่อไว้ล่วงหน้า  เช่น

ธาตุที่อยู่ใต้  B  เรียกว่า  เอคาโบรอน

ธาตุที่อยู่ใต้  Al  เรียกว่า  เอคาอะลูมิเนียม

ซึ่งปัจจุบันก็คือธาตุ  Se   และ  Ga  ตามลำดับ

การจัดตารางธาตุของเมนเดเลเอฟนั้น   ถ้ายึดหลักการเรียงตามมวลอะตอมจากน้อยไปหามากอย่างเคร่งครัด  จะทำให้ธาตุบางธาตุซึ่งมีสมบัติแตกต่างกันอยู่ในหมู่เดียวกัน  ทำให้ต้องยกเว้นไม่เรียงตามมวลอะตอมบ้างแต่เมนเดเลเอฟก็ไม่สามารถให้เหตุผลได้ว่าเป็นเพราะเหตุใดจึงต้องเรียงลำดับธาตุเช่นนั้น  เนื่องจากในขณะนั้นยังไม่มีความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมไม่มากพอ  นักวิทยาศาสตร์ต่อ ๆ มาจึงสร้างแนวคิดใหม่ว่า ตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุไม่ควรขึ้นอยู่กับมวลอะตอม  แต่ควรจะขึ้นอยู่กับสมบัติอื่น ๆ ที่สัมพันธ์กับมวลอะตอม

4. ตารางธาตุของเฮนรี โมสลีย์

เฮนรี  โมสลีย์  (Henry  Moseley)  นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ  ได้แก้ไขตารางธาตุของเมนเดเลเอฟให้ถูกต้องขึ้น  โดยการพบว่าเลขอะตอม หรือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุ  มีความสัมพันธ์กับสมบัติของธาตุมากกว่ามวลอะตอม  ทำให้สอดคล้องกับกฎพีริออดิกมากกว่า  สามารถสร้างตารางธาตุได้โดยไม่ต้องสลับที่ธาตุบางธาตุเหมือนกรณีการจัดเรียงตามมวลอะตอม

ประมาณปี พ.ศ. 2456 (ค.ศ. 1913)  โมสลีย์จึงเสนอตารางธาตุใหม่โดยเรียงตามเลขอะตอมจากน้อยไปหามาก  และจัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันให้อยู่ในหมู่เดียวกัน  และกำหนดกฎตารางธาตุขึ้นใหม่เป็น “สมบัติต่าง ๆ ของธาตุในตารางธาตุขึ้นอยู่กับเลขอะตอมของธาตุ”

ตารางธาตุในปัจจุบัน

เนื่องจากปัจจุบันนักเคมีพบว่า การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุมีส่วนสัมพันธ์กับสมบัติต่าง ๆ ของธาตุ กล่าวคือ ถ้าเรียงลำดับธาตุตามเลขอะตอมจากน้อยไปหามาก จะพบว่าธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันเป็นช่วง ๆ ตามลักษณะของการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุนั้น  ดังนั้นในปัจจุบันจึงจัดตารางธาตุโดยเรียงตามเลขอะตอมจากน้อยไปมาก  ดังในรูปที่ 1.23

รูปที่ 1.23  ตารางธาตุในปัจจุบัน (ที่มา:  www.specialedprep.net/.../compounds1.htm)

ตารางธาตุในรูปที่ 1.23 เป็นแบบที่ใช้กันอยู่มากในปัจจุบัน  แบ่งธาตุในแนวตั้งออกเป็น  18  แถวหรือ  18  หมู่  โดยธาตุทั้งหมด  18  แถว  แบ่งเป็น  2  กลุ่มใหญ่ ๆ  คือกลุ่ม  A  และ  B  กลุ่ม  A  มี  8  หมู่ คือหมู่  IA   ถึง  VIIIA  ส่วนกลุ่ม  B  ซึ่งอยู่ระหว่างหมู่  IIA   และ  IIIA  มี  8  หมู่เช่นเดียวกัน คือ หมู่  IB  ถึง   VIIIB   (แต่มี  10  แนวตั้ง)  เรียกธาตุกลุ่ม  B  ว่า  ธาตุทรานซิชัน(Transition Elements)

ธาตุในแต่ละหมู่  ของกลุ่ม  A  ถ้ามีสมบัติคล้ายกันจะมีชื่อเรียกเฉพาะหมู่ เช่น

*      ธาตุหมู่  IA  เรียกว่า  โลหะอัลคาไล (alkali  metal)  ได้แก่  Li  ,  Na  ,  K , Rb , Cs , Fr

*      ธาตุหมู่ IIA เรียกว่า โลหะอัลคาไลน์เอิร์ท(alkaline  earth)ได้แก่ Be  Mg  Ca  Sr  Ba  Ra

*      ธาตุหมู่ VIIA เรียกว่า ธาตุเฮโลเจน (halogen)  ได้แก่   F  Cl  Br  I  At

*      ธาตุหมู่ที่ VIIIA  เรียกว่า ก๊าซเฉื่อย (Inert  gas)  ได้แก่   He  Ne  Ar  Kr  Xe  Rn

สำหรับการแบ่งธาตุเป็นคาบ  ธาตุทั้งหมดในตารางธาตุแบ่งเป็น  7  คาบ  ซึ่งในแต่ละคาบอาจจะมีจำนวนธาตุไม่เท่ากัน  เช่น

สำหรับคาบต่าง ๆ ในตารางธาตุแบ่งเป็น  7  คาบดังนี้

*      คาบที่ 1  มี  2  ธาตุ คือ H ,  He

*      คาบที่ 2  มี  8  ธาตุ  คือ  ตั้งแต่    Li   ถึง   Ne

*      คาบที่ 3  มี  8  ธาตุ  คือ  ตั้งแต่    Na   ถึง   Ar

*      คาบที่ 4  มี  18  ธาตุ  คือ  ตั้งแต่    K   ถึง   Kr

*      คาบที่ 5  มี  18  ธาตุ  คือ  ตั้งแต่    Rb   ถึง   Xe

*      คาบที่ 6  มี  32  ธาตุ  คือ  ตั้งแต่    Cs   ถึง   Rn

*      คาบที่ 7  มี  19  ธาตุ  คือ  ตั้งแต่    Fr   ถึง   Ha

รวมทั้งหมด  105  ธาตุ  เป็นก๊าซ  11  ธาตุ  คือ  H  ,  N  ,  O  , F ,  Cl ,  He ,  Ne ,  Ar ,

Kr  ,  Xe   และ  Rn  เป็นของเหลว   5  ธาตุ  คือ   Cs  ,  Fr , Hg  ,  Ga  และ  Br  ที่เหลือเป็นของแข็ง

สำหรับ  2  แถวล่างเลขอะตอม    57 - 70  และ  89 - 102  เป็นธาตุกลุ่มย่อยที่แยกมาจากหมู่  IIIB  ในคาบที่  6  และ  7  เรียกธาตุในกลุ่มย่อยนี้รวม ๆ ว่า กลุ่มธาตุเลนทาไนด์ และ กลุ่มธาตุแอกทิไนด์

นอกจากนี้เมื่อพิจารณาธาตุหมู่  IIIA  ไปทางขวามือ  จะพบเส้นหนักหรือเส้นทึบเป็นแบบขั้นบันได  เส้นหนักนี้จะเป็นเส้นแบ่งกลุ่มธาตุโลหะและอโลหะ  กล่าวคือ ธาตุทางขวาของเส้นขั้นบันไดจะเป็นอโลหะ  ธาตุทางซ้ายมือของเส้นขั้นบันไดจะเป็นโลหะ  ธาตุที่อยู่ชิดกับเส้นขั้นบันได เป็นธาตุกึ่งโลหะ ซึ่งมีทั้งสมบัติของโลหะและอโลหะ  เช่น  ธาตุ  B , Si ,Ge ,As , Sb , Te

การตั้งชื่อธาตุที่ค้นพบใหม่

จากตารางธาตุในรูปที่  1.23  จะพบว่ามีธาตุอยู่  118  ธาตุ  ซึ่งยังมีการค้นพบธาตุใหม่ ๆ  เพิ่มขึ้นอีกหลายธาตุ  แต่ยังไม่ได้กำหนดสัญลักษณ์ที่แน่นอนไว้ในตารางธาตุ  ธาตุบางธาตุถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์หลายคณะ  ทำให้มีชื่อเรียกและสัญลักษณ์ต่างกัน

เช่น  ธาตุที่  104  ค้นพบโดยคณะนักวิทยาศาสตร์  2  คณะ  คือ คณะของนักวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกา ซึ่งเรียกชื่อว่า  รัทเทอร์ฟอร์เดียม (Ratherfordium)  และใช้สัญลักษณ์  Rf  ในขณะที่คณะนักวิทยาศาสตร์สหภาพโซเวียตเรียกชื่อว่าเคอร์ซาโตเวียม(Kurchatovium) ใช้สัญลักษณ์  Ku

ธาตุที่  105 ค้นพบโดยคณะนักวิทยาศาสตร์   2  คณะเช่นเดียวกัน คือคณะนักวิทยาศาสตร์สหรัฐอเมริกาเรียกชื่อว่า  ฮาห์เนียม (Hahnium)  และใช้สัญลักษณ์  Ha  ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์สหภาพโซเวียตใช้ชื่อว่า  นิลส์บอห์เรียม (Neilbohrium)  และใช้สัญลักษณ์เป็น  Ns

การที่คณะนักวิทยาศาสตร์ต่างคณะตั้งชื่อแตกต่างกัน ทำให้เกิดความสับสน  International  Union  of  Pure  and  Applied  Chemistry  (IUPAC)  จึงได้กำหนดระบบการตั้งชื่อขึ้นใหม่  โดยใช้กับชื่อธาตุที่มีเลขอะตอมเกิน  100  ขึ้นไป  ทั้งนี้ให้ตั้งชื่อธาตุโดยระบุเลขอะตอมเป็นภาษาละติน  แล้วลงท้ายด้วย   ium  ระบบการนับเลขในภาษาละตินเป็นดังนี้

0   =   nil  (นิล)           1   =   un     (อุน)

2   =   bi   (ไบ)           3   =   tri     (ไตร)

4   =   quad  (ควอด)       5   =  pent   (เพนท์)

6   =   hex  (เฮกซ์)         7   =   sept  (เซปท์)

8   =   oct (ออกตฺ)         9   =  enn  (เอนน์)

เช่น  - ธาตุที่  104  ตามระบบ  IUPAC   อ่านว่า  อุนนิลควอเดียม (Unnilquadium)  สัญลักษณ์  Unq

- ธาตุที่  105  ตามระบบ  IUPAC   อ่านว่า  อุนนิลเพนเทียม (Unnilpentium)   สัญลักษณ์  Unp