หน่วยที่ 3: ตารางธาตุและสมบัติของธาตุ (Periodic Table and Properties of Elements)

ตารางธาตุ (Periodic Table) เป็นหนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญที่สุดในเคมี ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจโครงสร้างและสมบัติของธาตุต่าง ๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาล การจัดเรียงธาตุตามลำดับเลขอะตอมทำให้เราสามารถคาดการณ์สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุต่าง ๆ ได้ อีกทั้งยังเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมี

3.1 ตารางธาตุ (Periodic Table)

ตารางธาตุ (Periodic Table) คือการจัดเรียงธาตุตามลำดับเลขอะตอม (Atomic Number) ซึ่งเป็นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอม ตารางนี้ถูกจัดเรียงให้ธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันอยู่ในกลุ่มเดียวกัน (Group) โดยธาตุในแต่ละกลุ่มจะมีสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน

1. การจัดเรียงธาตุในตารางธาตุ

ตารางธาตุแบ่งออกเป็นแถวแนวนอนเรียกว่า "คาบ" (Period) และแถวแนวตั้งเรียกว่า "หมู่" (Group)

• คาบ (Period) ธาตุที่อยู่ในแถวเดียวกันจะมีจำนวนชั้นพลังงานอิเล็กตรอนเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ธาตุในคาบที่ 2 จะมีชั้นพลังงานอิเล็กตรอน 2 ชั้น
• หมู่ (Group) ธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกันจะมีจำนวนอิเล็กตรอนในวงนอกสุดเท่ากัน ซึ่งส่งผลให้ธาตุเหล่านั้นมีสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น หมู่ที่ 1 (หมู่โลหะอัลคาไล) มีอิเล็กตรอนในวงนอกสุด 1 ตัว

2. หมู่และคาบในตารางธาตุ

ธาตุในตารางธาตุสามารถแบ่งออกได้เป็นหมู่หลัก ๆ ได้แก่

• หมู่ 1 (โลหะอัลคาไล) ธาตุในกลุ่มนี้ประกอบด้วยโลหะที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูง เช่น ลิเทียม (Li), โซเดียม (Na), และโพแทสเซียม (K) ธาตุเหล่านี้มีอิเล็กตรอนในวงนอกสุด 1 ตัว ทำให้มีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนและเกิดเป็นไอออนบวก (Cation)
• หมู่ 2 (โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ) ธาตุในกลุ่มนี้มีความไวต่อปฏิกิริยาเช่นกัน เช่น แมกนีเซียม (Mg) และแคลเซียม (Ca) ธาตุเหล่านี้มีอิเล็กตรอนในวงนอกสุด 2 ตัว
• หมู่ 17 (เฮไลด์) ธาตุในกลุ่มนี้มีความไวสูงในการรับอิเล็กตรอน เช่น ฟลูออรีน (F), คลอรีน (Cl) และโบรมีน (Br) โดยมีอิเล็กตรอนในวงนอกสุด 7 ตัว ทำให้พวกมันต้องการรับอิเล็กตรอนเพิ่มอีก 1 ตัวเพื่อให้ครบ 8 ตัวในวงนอกสุด
• หมู่ 18 (แก๊สเฉื่อย) ธาตุในกลุ่มนี้มีวงอิเล็กตรอนในวงนอกสุดครบ 8 ตัว ทำให้ธาตุเหล่านี้มีเสถียรภาพสูงและไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น ฮีเลียม (He), นีออน (Ne), และอาร์กอน (Ar)

3. แนวโน้มสมบัติของธาตุในตารางธาตุ

การจัดเรียงธาตุในตารางธาตุช่วยให้เราสามารถคาดการณ์แนวโน้มสมบัติของธาตุได้ ตัวอย่างเช่น

• ขนาดอะตอม (Atomic Radius) ขนาดของอะตอมจะลดลงจากซ้ายไปขวาภายในคาบเดียวกัน เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้น
• พลังงานไอออไนเซชัน (Ionization Energy) พลังงานที่ใช้ในการดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมจะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาภายในคาบเดียวกัน เนื่องจากแรงดึงดูดของนิวเคลียสที่แข็งแรงขึ้น
• อิเล็กโตรเนกาติวิตี (Electronegativity) ความสามารถของอะตอมในการดึงดูดอิเล็กตรอนในพันธะเคมีจะเพิ่มขึ้นเมื่อไปทางขวาในคาบเดียวกัน

4. การพัฒนาตารางธาตุ

ตารางธาตุถูกพัฒนาครั้งแรกโดยดมีทรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) นักเคมีชาวรัสเซียในปี 1869 โดยเขาได้จัดเรียงธาตุตามมวลอะตอมและคาดการณ์ถึงธาตุที่ยังไม่ถูกค้นพบ หลังจากนั้นได้มีการปรับปรุงตารางธาตุโดยใช้เลขอะตอมแทนที่มวลอะตอม และมีการค้นพบธาตุใหม่ ๆ เพิ่มเติมเข้ามาในตารางอย่างต่อเนื่อง

ตารางธาตุเป็นเครื่องมือสำคัญในการจัดเรียงและทำความเข้าใจสมบัติของธาตุต่าง ๆ โดยมีการจัดเรียงตามเลขอะตอม ธาตุในหมู่เดียวกันจะมีสมบัติคล้ายคลึงกัน การจัดเรียงในตารางยังช่วยให้เราสามารถคาดการณ์สมบัติทางเคมีและแนวโน้มของธาตุต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ