ตารางธาต (Periodic table)

By Dr.Jutatip Namahoot

เนอหา

การจดหมวดหมและความสมพนธกบการจดเรยงอเลกตรอน

แนวโนมของสมบตตามตารางธาตเบองตน

XA

Z

X = element symbolA = Mass number (เลขมวล) = n+pZ = Atomic number (เลขอะตอม) = p

History of the Periodic Table

ปลาย ค.ศ. ท 18 Antoine Lavoisier ไดรวบรวมธาตทคนพบได 23 ธาต

ปลายป ค.ศ. 1870 พบธาตรวม 65 ธาต

ค.ศ. 1925 พบธาตเพม 23 ธาต

ปจจบนพบธาต > 118 ธาต

History of the Periodic Table

ค.ศ. 1817 Johann Wolfgang Döbereiner จดธาตเปนหม ๆ ละ 3 ธาต ตามสมบตทคลายคลงกน ธาตตวกลางม มวลอะตอมเปนคาเฉลยโดยประมาณของ

ธาตบนกบธาตลาง

Triad

History of the Periodic Table

Example

Element Relative atomic mass

Calcium

Strontium

Barium

40

88

137

Johann Wolfgang Döbereiner

ค.ศ. 1865 John Newlands เสนอ Law of Octaves เมอจดเรยงธาตตามมวลอะตอมจากนอยไปมาก พบวา

ธาตตวท 8 จะมสมบตเหมอนธาตตวท 1 (ไมรวม H, noble gas) กฎนใชไดกบธาตทมมวลอะตอมไมเกนนาหนกของ Cl

เทานน

History of the Periodic Table

History of the Periodic Table

ค.ศ. 1969-1970

ถาเรยงธาตตามมวลอะตอมจากนอยไปมาก และแบงเปนแถวใหเหมาะสม ธาตทมสมบตคลายกน จะปรากฏอยตรงกนเปนชวง ๆ

Julius Lothar Meyer Dmitri Ivanovich Mendeleev

History of the Periodic Table

ตารางธาตปจจบน

ตารางธาตปจจบน

ตารางธาตปจจบน

การแบงประเภทของธาต สามารถแบงไดหลายแบบ เชน คาบ (periods) 7 คาบ สมบตทางเคมและทางกายภาพของธาตในคาบเดยวกนมความแตกตางกน หม (groups) 18 หม สมบตทางเคมและทางกายภาพของธาตในหมเดยวกนมความคลายคลงกน

ตารางธาตปจจบน

ธาตเรพรเซนเตตฟ(representative elements) ไดแก ธาตหม IA-VIIIAs-block elements ไดแก หม IA, IIA

p-block elements ไดแก หม IIIA, IVA, VA, VIA, VIIA และหม Oธาตทรานสชน (transition elements) ไดแก ธาตหม IB – VIIIB

d-block elements ไดแก หม IIIB ถง IIB (หมายเหต ยกเวนหม IIB ถงแมจะจดอยในกลม d แตไมจดวาเปน

ธาต ทรานซชน เพราะธาตหมนมสมบตบางประการเทานนทคลายคลงกบธาตทรานซชน)

ตารางธาตปจจบน

ธาตทรานสชนชนใน (inner transition elements) ไดแก

ธาตในอนกรมแลนทาไนด (lanthanides) และ

อนกรมแอกทไนด (actinides)

ธาตทรานสชนชนใน.......f-block elements

ตารางธาตปจจบน

หม IA: โลหะอลคาไล (alkali metals) หม IIA: โลหะอลคาไลนเอรท (alkaline earth metals)หม VIA: chalcogens หม VIIA: เฮโลเจน (halogens) หม VIIIA: แกสมตระกล (noble gases)

ชอเฉพาะตามหม

ตารางธาตปจจบน

รปแบบของตารางธาตเนนถงความสมพนธตามแนวตง

ธาตในหมเดยวกนมการจดรยงอเลกตรอนในระดบพลงงานสงสดเหมอนกน

มสมบตทางเคมคลายคลงกน

ความสมพนธตามแนวนอน : การเปลยนแปลงอยางสมาเสมอจากซายไปขวา

ตารางธาตปจจบน

แนวโนมของสมบตตามตารางธาต

ขนาดอะตอม

รศมอะตอมและรศมไอออน

Ionization energy

Electronegativity

Electron Affinity

ขนาดอะตอม (Atomic size)

ปจจยทมผลตอขนาดอะตอม เลขควอนตมหลก n ของเวเลนซอเลกตรอน แรงดงดดระหวางนวเคลยสกบเวเลนซอเลกตรอน

ธาตหมเดยวกน ขนาดอะตอมใหญขนจากบนลงลาง เมอเลขควอนตมหลก (n) เพมขน ระยะทางจากนวเคลยส

ถงe-ชนนอกสดจะมากขน จงสงผลใหรศมอะตอมมคามากขน

ขนาดอะตอม

ธาตในคาบเดยวกน ขนาดอะตอมเลกลงจากซายไปขวา

• มเวเลนซ e- ทม n เทากน แตธาตดานขวามอจะมประจบวกทนวเคลยสเพมขน

• ดงนน แรงดงดดระหวางนวเคลยสกบอเลกตรอนวงนอกสดจงเพมขน รศมอะตอมจงลดลง

ขนาดอะตอม

รศมอะตอม (Atomic radius)

ขนาดอะตอม

รศมอะตอมและรศมไอออน

Ion + ของธาตใดๆ เปนการดงเอา e- ออกจากอะตอม ทาใหมขนาดรศมเลกลงกวาอะตอมเดม

Ion - ของธาตใดๆ จะเปนการเพมจานวน e-ทาใหมขนาดรศมเพมขนจากอะตอมเดม

ไอออนทมจานวน e- เทากน (isoelectronic series) ถาประจของนวเคลยสเพมขน รศมของไอออนจะมขนาดเลกลง เชน

O2- > F- > Na+ > Mg2+ > Al3+

รศมอะตอมและรศมไอออน

Ionization Energy

พลงงานไอออไนเซชน (Ionization energy) คอ พลงงานปรมาณนอยทสดททาให e- หลดจากอะตอมในสถานะแกส

พลงงานไอออไนเซชนทหนง (IE1) เปนพลงงานทตองใชในการดงe- ตวแรกออกจากอะตอมอสระในสถานะแกส

Na(g) Na+(g) + e- พลงงานไอออไนเซชนทสอง (IE2) เปนพลงงานทตองใช

ในการดง e- ออกจากไอออนทมประจ +1 ในสถานะแกส

Na+(g) Na2+(g) + e- คาพลงงานไอออไนเซชนสง แสดงวาการดง e- ออกไปทา

ไดยาก

Ionization Energy (IE)

Ionization Energy (IE)

ในหมเดยวกน IE จะลดลงจากบนลงลาง

เนองจากธาตคาบลางม e- วงนอกสดทสามารถดงออกไดงาย

ในคาบเดยวกน แนวโนม IE1 จะเพมขนจากซายไปขวา

เนองจากแรงดงดดระหวางนวเคลยสกบ e- เพมขน ยกเวนบางธาต

Ionization Energy (IE)

Ionization Energy (IE)

การจด e- แบบบรรจเตมและบรรจครง สงผลใหอะตอมมความเสถยรมากกวา

ขอยกเวน

เชน

IE1 ของ Be > B

Be 1s2 2s2 และ B 1s2 2s2 2p1

IE1 ของ N > O

N 1s2 2s2 2p3 และ O 1s2 2s2 2p4

Ionization Energy (IE)

Ionization Energy (IE)

Ionization energy ในแตละธาต จะมคาสงเพมขนมาก เมอเกยวของกบการดง e- ออกจากสภาวะทมการจดเรยง e-คลายแกสมตระกล

Ionization Energy (IE)

Electronegativity (EN)

อเลกโตรเนกาตวต (Electroneganivity, EN) คอ ความสามารถในการดง e- ของอะตอม

Electronegativity (EN)

Electronegativity (EN)

Electron Affinity (EA)

สมพรรคภาพอเลกตรอน (Electron Affinity, EA) คอ พลงงานทเกยวของในกระบวนการเตม e- 1 โมล ใหกบอะตอม 1 โมล ในสถานะแกส

Electron Affinity (EA)

EA สามารถเปนไดทงการคายพลงงาน (EA มเครองหมายลบ) หรอเปนการดดพลงงาน (EA มเครองหมายบวก) เชน

Be(g) + e- Be-(g) EA = 241 kJ/mol

Cl(g) + e- Cl-(g) EA = -348 kJ/mol

Electron Affinity (EA)

Electron Affinity (EA)

แนวโนมของสมบตทางกายภาพ

แรงยดเหนยวระหวางธาตความหนาแนน (Density) จดหลอมเหลว (Melting point) และจดเดอด (Boiling point) การนาไฟฟาและความรอน

แรงยดเหนยวระหวางธาต

ธาตกลม s กลม d กลม f และกลม p บางสวนยดกนดวยพนธะโลหะ

ธาตบรเวณทางขวา เชน N, O, Cl จะเกดพนธะโคเวเลนตไดเปนโมเลกลเดยว เชน N2, O2, Cl2 ธาตหม VIIIA ยดกนดวยแรงแวนเดอรวาลส

มากขนาดอะตอมเลก

นอยขนาดอะตอมใหญ

พนธะโลหะ

นอย

มาก

แรงแวนเดอรวาลส

มาก

นอยขนาดใหญ แรงลดลง

พนธะโควาเลนต (โครงรางตาขาย)

แรงยดเหนยวระหวางธาต

พนธะโลหะ เปนแรงดงดดระหวาง ไอออนบวกของโลหะกบ

ทะเล e-ความแขงแรงขนกบปรมาณ e- ในโครงผลก

ขนาดของประจบวกและขนาดของอะตอมแขงแรงมากขนเมออะตอมมขนาดเลกลง

แรงยดเหนยวระหวางธาต

พนธะโควาเลนตแบบโครงรางตาขาย - อะตอมของธาตยดกนดวยพนธะโคเวเลนตและตดตอกนไปเรอย ๆ ไมสามารถบอกไดวาโมเลกลหนงประกอบดวยกอะตอม นนคอ โครงรางเปนโครงรางแบบตาขาย - แรงยดเหนยวแบบนจงแขงแรงมาก- ขนาดอะตอมใหญขน ความแขงแรงลดลง

แรงแวนเดอรวาลส - เปนแรงทออนมาก พบในอะตอมและโมเลกลทกชนด

แรงยดเหนยวระหวางธาต

Density

Density

ขนกบ ขนาด มวลของอะตอม โครงสรางผลกและแรงยดเหนยวระหวางกน ขนาดเลก มวลมาก และพนธะโลหะแขงแรง ความหนาแนน

สง

Be > Li, Ti > Ca โมเลกลอะตอมเดยว ความหนาแนนตา กลมทมโครงรางตาขาย ความหนาแนนปานกลาง ธาตทรานซชน มความหนาแนนสงสด

กลมโลหะ

ในคาบเดยวกนธาตทางขวาซงมขนาดเลก แตมวลมากกวาและพนธะโลหะแขงแรงกวา จะมความหนาแนนสงกวาธาตทางซาย

ธาตหม 1A มความหนาแนนตาทสด (มขนาดอะตอมใหญ)

Density

ในหมเดยวกน ธาตหนกจะมความหนาแนนสงกวาธาตเบา เนองจากมอตราการเพมมวลเรวกวาการเพมปรมาตร

ตวอยางเชน K (เลขมวล 39) และ Rb (เลขมวล 85) มรศมอะตอมเปน 203 และ 216 pm

ดงนน Rb จงควรมความหนาแนนมากกวา

Density

โลหะทรานสชน

มขนาดเลกและมวลมาก พนธะโลหะแขงแรง

ความหนาแนนสงทสด

Density

Melting point

Melting point

จดหลอมเหลว ขนกบแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล - โลหะจะมพนธะโลหะ- อโลหะจะมแรงวนเดอรวาลลซงแปรผนตามมวล

โมเลกล

โลหะในหมเดยวกน- เลขอะตอมเพมขน จดหลอมเหลวจะลดลง

เพราะแรงของโลหะจะนอย เชน จดหลอมเหลว Na > K > Rb

Melting point

อโลหะในหมเดยวกน - เลขอะตอมเพมขน จดหลอมเหลวจะเพมขน เพราะแรงของวนเดอรวาลลเพมขน เชน จดหลอมเหลว F < Cl < Br < I

ธาตในคาบเดยวกน จดหลอมเหลวของธาตจะมลกษณะไมตอเนอง เพราะมทงธาตทเปนโลหะและอโลหะ ทาใหสรปความสมพนธตามตารางธาตไมได

Melting point

หมายเหต จดเดอดของธาตนน จะมลกษณะการเปลยนแปลงเชนเดยวกบจดหลอมเหลว

Melting point

ธาตบรสทธสามารถนาไฟฟาและความรอนได ถาม e- อสระ

โลหะนาไฟฟาไดดและการนาไฟฟาจะเลวลงเมอ T สงขน

อโลหะ เปนฉนวนมความตานทานสงมาก

กงโลหะ นาไฟฟาไดเลกนอย แตจะนาไดดเมอ T สงขน

แนวโนมการเปนตวนาจะสงขนเมอมเวเลนซ e- มากขน เพมจากซายไปขวาและลดลงจากบนลงลาง

การนาไฟฟาและความรอน

แนวโนมของสมบตทางเคม

เลขออกซเดชน: เลขทกาหนดขนเพอแสดงคาประจไฟฟา หรอประจไฟฟาสมมตของไอออนหรออะตอมของธาต

ธาตหมตางๆ เมอเกดสารประกอบมกแสดงเลขออกซเดชนมคาเทากบเลขหมนน เชน

กลม S หม IA และ IIA มเลขออกซเดชนเปน +1 และ +2

ธาตกลม p, d, f สวนใหญจะมเลขออกซเดชนมากกวาหนงคา

เชน

IIIA (กลม p) อาจมเลขออกซเดชน +1, +3

กลม d, f สวนมากมเลขออกซเดชนหลายคา เนองจากธาตเหลานมหลายเวเลนซ e-

แนวโนมของสมบตทางเคม

Oxide and Hydroxide

Hydride

แนวโนมความเปนกรด-เบสของสารประกอบ

ออกไซด (Oxide) : สารประกอบระหวางธาตหนงๆ กบออกซเจน ออกซเจนมเลขออกซเดชนเปน -2 (ยกเวนพวกเปอรออกไซด -1 และซปเปอรออกไซด -1/2)

ไฮดรอกไซด (Hydroxide) : สารประกอบทมหม –OH มประจเปน -1

• M(OH)n พนธะระหวาง M กบ O อาจเปนไอออนกหรอ โคเวเลนตกไดแลวแตความแตกตางในคา EN

Oxide and Hydroxide

ออกไซดหรอไฮดรอกไซดของธาตทางซายมอจะเปนสารไอออนกและพนธะ M-O จะเพมความเปนโคเวเลนตขนเรอยๆ สาหรบธาตทางขวา

Oxide and Hydroxide

ปฏกรยาของออกซเจนและออกไซด

ออกซเจนรวมโดยตรงกบธาตอนไดทงหมด (ยกเวนกาซมตระกลและโลหะมตระกล (Au,Pd,Pt)) เกดเปนโลหะออกไซด เรยกวา เบสแอนไฮไดรด ซงเปนสารประกอบธาตค

เกดเปนออกไซด 3 ชนดคอ ออกไซด, เปอรออกไซด และซปเปอรออกไซด

ประเภท มไอออน เลขออกซเดชนของ Oออกไซด O2- -2

เปอรออกไซด O22- -1

ซปเปอรออกไซด O2- -1/2

4Li(s) + O2(g) 2Li2O(s)

ลเทยมออกไซด

2Na(s) + O2(g) Na2O2(g)

K(s) + O2(g) KO2(s)

โพแทสเซยมซปเปอรออกไซด

โซเดยมเปอรออกไซด

ปฏกรยาของโลหะกบออกไซด

2-

-

-1/2

ออกไซดของธาตทางซายมอในตารางธาตมฤทธเปนเบส ละลายไดไฮดรอกไซด

CaO + H2O Ca(OH)2

เปรยบเทยบธาตในคาบท 3

Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 Cl2O7

NaOH Mg(OH)2 Al(OH)3 SiO2 .xH2O H3PO4 H2SO4 HClO4

เบสแก เบสออน กรดออน/เบสออน กรดออน กรดแกขน กรดแก กรดแก

แนวโนมความเปนกรด-เบสของสารประกอบออกไซดและไฮดรอกไซด

ปฏกรยาของอโลหะกบออกไซด

ออกซเจนรวมกบอโลหะหลายชนดเกดเปนโมเลกลออกไซด

และสารประกอบทเรยกวา กรดแอนไฮไดรด เพราะ

เมอละลายนาจะเกด กรด โดยทไมมการเปลยนเลขออกซเดชนของอโลหะ

อโลหะออกไซด + นา กรดตตยภม (H,O และ อโลหะ)

CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)

ออกไซดของอโลหะเกอบทกชนดละลายนา ไดกรดตตยภม

ยกเวน B และ Si ทไมละลายนา

การพจารณาในแนวดง ออกไซดและไฮดรอกไซดของธาตหนกจะเปนเบสมากขนN2O5 (HNO3) กรดแก

P4O10 ( H3PO4) กรดออน

As4O10 (H3AsO4) กรดออน

Sb4O6 หรอ Sb2O3 แอมโฟเทอรก ละลายในกรดบาง ชนดและเบส

Bi2O3 เบสออน

แนวโนมความเปนกรด-เบสของสารประกอบออกไซดและไฮดรอกไซด

ธาตทมเลขออกซเดชนไดหลายคา ความเปนกรดจะแรงขนตามลาดบของเลขออกซเดชนจากตาไปสง

แนวโนมความเปนกรด-เบสของสารประกอบออกไซดและไฮดรอกไซด

+1 +3 +5 +7 HOCl < HClO2<HClO3< HClO4

กรดออน กรดแก

+4 +6 H2SO3 < H2SO4

กรดออน กรดแก

Li2O BeO B2O3 CO2 N2O5 F2O

Na2O MgO Al2O3 SiO2 P4O10 SO3 Cl2O7

K2O CaO Ga2O3 GeO2 As2O3 SeO3 Br2O7

Rb2O SrO In2O3 SnO2 Sb2O3 TeO3 I2O7

Cs2O BaO Tl2O3 PbO2 Bi2O3 PoO3 At2O7

IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA

ออกไซดแอมโฟเทอรก Be, Al, Ga, Sn, Pb

การเพ

มลก

ษณ

ะความ

เปน เบ

ส

การเพมลกษณะความเปน กรด

แนวโนมความเปนกรด-เบสของสารประกอบออกไซดและไฮดรอกไซด

IA VIIAเปนโคเวเลนตเพมขน

เปนไอออนนกมากขน

กากงระหวางไอออนกและโคเวเลนต

ไอออนก

โคเวเลนต

IA VIIAเปนกรดมากขน

เปนเบสมากขน

แอมโฟเทอรก

เบส

กรด

ไฮไดรด (Hydride): สารประกอบระหวางธาตหนงกบไฮโดรเจน

1)ไฮไดรดไอออนก

2)ไฮไดรดเมตาลก

3)ไฮไดรดโคเวเลนต

Hydride

ปฏกรยาของ H2 กบโลหะอลคาไล (IA) และโลหะอลคาไลน เอรท (IIA)

ของแขงไอออนกไฮไดรด เรยกวา เกลอไฮไดรด

ไอออนกไฮโดรดเปน เบส เพราะวาไฮไดรดไอออนรดวซนาไดไฮดรอกไซด

ไอออนและไฮโดรเจน

2Li(l) + H2(g) 2LiH(s) ลเทยมไฮไดรด

2LiH(s) + H2O(l) Li OH (s) + H2(g)

1. ไฮไดรดไอออนก มพนธะไอออนก M+ กบ H- ไดแก ไฮไดรดของธาตกลม S เชน Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba พวกไฮไดรดไอออนก จะมสมบตเปนเบสเนองจาก H- สามารถ

ใชค e- รวมกนได

เชน B2H6 + 2LiH LiBH4

Lewis acid Lewis base ความเปนเบสของไฮไดรดไอออนก จะลดลงจากซายไปขวา แต

จะเพมขนจากบนลงลาง

Hydride

2) ไฮไดรดเมตาลก มอะตอมของไฮโดรเจนแทรกอยในผลก เชน ไฮไดรดของธาตทรานซชน มสมบตบางประการคลายโลหะ สตรโมเลกลไมเปนไปตามมวลสารสมพนธ

Hydride

ปฏกรยาของ H2 กบ อโลหะ

โคเวเลนตไฮไดรด

โมเลกล (อโลหะ)ไฮไดรดหลายชนดเปน กรด เมอละลายนาจะไดไฮโดรเจน

ไอออน ; HCl, HBr, HI, H2S และ H2Te

H2(g) + Cl2(g) 2HCl(g) ไฮโดรเจนคลอไรด

HCl(s) + H2O(l) H3O+ (s) + Cl-(g)

3) ไฮไดรดโคเวเลนต (อยทางขวามอของตารางธาต) มพนธะโคเวเลนตระหวางธาต M กบ H ไดแก ไฮไดรดในกลม p

พวกไฮไดรดโคเวเลนต พบวา ธาตหนก เปนกรดทแรงกวาธาตเบา

Hydride

ปจจยทเกยวของกบความเปนกรดของไฮไดรดโคเวเลนต

1) EN ของ M ยงสงมาก ยงมโอกาสท H กลายเปนH+ ไดงายขน

2) ความแขงแรงของพนธะ M-H เปลยนไปตามขนาดของ M ถา M ขนาดใหญ (ธาตหนก) พนธะออนลง

3) พนธะไฮโดรเจนระหวางโมเลกลของไฮไดรดยงมมาก โอกาส H หลดไปเปน H+ ยงนอยลง

Hydride

เปรยบเทยบธาตในคาบเดยวกน

เนองจาก M มขนาดใกลเคยงกน ดงนนความแขงแรงของพนธะไมตางกนมาก

จงจะเหนไดวา ความเปนกรดเรยงลาดบตามแนวโนมของ EN นนคอ ความเปนกรดเพมขนจากซายไปขวา

เชน NH3 < H2O < HF

Hydride

เปรยบเทยบธาตในหมเดยวกน

ปจจย 2 และ 3 จะมความสาคญ

HF > HCl > HBr > HI

pKa 3 -7 -9 -10

Ka 10-3 107 109 1010

• HF มพนธะไฮโดรเจนทเปนระเบยบ และพนธะของ H-F กแขงแรงมาก ดงนน HF จงเปนกรดทออนกวา HCl, HBr, HI

Hydride

กลม s กลม p

ความเปนเบส (H-) ความเปนกรด (H+)

เบสแก กรดแก

แนวโนมความเปนกรด-เบสของสารประกอบไฮไดรด

LiH BeH2 B2H6 CH4 NH3 H2O HF

NaH MgH2(AlH3)x SiH4 PH3 H2S HCl

KH CaH2 Ga2H6 GeH4 AsH3 H2Se HBr

RbH SrH2 InH3 SnH4 SbH3 H2Te HI

CsH BaH2 TlH PbH4 BiH3 H2Po HAt

IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA

ไฮไดรดกงกลางระหวางไออนก - โคเวเลนตไฮไดรด

ไฮไดรดของธาตเรพรเซนเททพ

ไฮไดรดของธาตธาตเรพรเซนเททพ

ยกเวน Be,Mg,In และ Tl เปนกงไอออนกและโมเลกลไฮไดรด

เบส, ไอออนกไฮไดรด

กรด ,โมเลกลไฮไดรด

อโลหะ

โลหะ

ธาตเรพรเซนเททพ

เพมขน

สรปแนวโนมสมบตตาง ๆ ในตารางธาต

เพมขน

ลดลง

EA,IE,EN,กรด,อโลหะ

เพมขน

ลดลงรศมไอออนก , รศมอะตอม , เบส , โลหะ