ตารางธาตุและสมบัติของธาตุตารางธาตุและสมบัติของธาตุ

คค..ศศ.. 18691869 Dmitri Mendeleev Dmitri Mendeleev ((รัสเซียรัสเซีย)) และและ LotharLothar Meyer Meyer ((เยอรมนัเยอรมนั)) ตางเสนอตารางธาตุตางเสนอตารางธาตุโดยเสนอวาโดยเสนอวา

ธาตตุางๆธาตตุางๆ สามารถจัดใหเปนกลุมสามารถจัดใหเปนกลุม ซึ่งมสีมบตัิคลายคลึงกนัซึ่งมสีมบตัิคลายคลึงกนั และและ

สมบตัิที่คลายคลึงกนัสมบตัิที่คลายคลึงกนั จะเกดิขึ้นเปนระยะจะเกดิขึ้นเปนระยะ (periodic)(periodic) เมื่อจดัเรียงธาตุเมื่อจดัเรียงธาตุ

ตามน้ําหนกัอะตอมตามน้ําหนกัอะตอม

งานวิจัยของงานวิจัยของ RutherfordRutherford และบุคคลอืน่ๆและบุคคลอืน่ๆ แสดงใหเห็นวาแสดงใหเห็นวา สมบตัิและสมบตัิและ

พฤตกิรรมของธาตุและสารประกอบของธาตนุัน้จะคลายคลึงกนัเปนพฤตกิรรมของธาตุและสารประกอบของธาตนุัน้จะคลายคลึงกนัเปน

ระยะๆระยะๆ เมื่อจดัเรียงธาตตุามเลขอะตอมเมื่อจดัเรียงธาตตุามเลขอะตอม

““กฎพิริออดกิกฎพิริออดกิ ( (periodic lawperiodic law))””

ตารางธาตุตารางธาตุ

การแบงประเภทของธาตุ สามารถแบงไดหลายแบบ เชนตารางธาตุในปจจุบันตารางธาตุในปจจุบัน

1. คาบ (periods) สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุในคาบเดยีวกันมี ความแตกตางกัน

หมู (groups) สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของธาตุในหมูเดียวกันมีความคลายคลึงกัน

2. ธาตุเรพรีเซนเตตฟี(representative elements) ไดแก ธาตหุมู IA – VIIIA

main group elementsธาตุทรานสิชนั (transition elements) ไดแก ธาตุหมู IB - VIIIBธาตุทรานสิชนัชัน้ใน (inner transition elements) ไดแก ธาตใุนอนุกรมแลนทาไนด (lanthanides) และอนุกรมแอกทิไนด (actinides)

หมู IA : โลหะอัลคาไล (alkali metals)หมู IIA : โลหะอัลคาไลนเอิรท (alkaline earth metals)หมู VIA: chalcogensหมู VIIA: เฮโลเจน (halogens)หมู VIIIA: แกสมีตระกูล (noble gases)

ชื่อเฉพาะตามหมูชื่อเฉพาะตามหมู

• ถาเลขควอนตัมหลักเพิ่มขึ้น ขนาดของออรบิทัลจะเพิ่มขึ้น• ขนาดอะตอมใหญขึ้นจากบนลงลาง (ธาตุหมูเดียวกนั)• ขนาดอะตอมเล็กลงจากซายไปขวา

1.1. ขนาดของอะตอมขนาดของอะตอม

แนวโนมของสมบัติตามตารางธาตุแนวโนมของสมบัติตามตารางธาตุ

• เมื่อเลขควอนตัมหลักเพิ่มขึ้น ระยะทางจากนิวเคลียสถึงอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดจะมากขึ้น จึงสงผลใหรัศมีอะตอมมีคามากขึ้น

• ธาตใุนคาบเดียวกนั มเีวเลนซอิเล็กตรอนที่มีเลขควอนตัมหลักเทากัน แตธาตดุานขวามือจะมปีระจุบวกที่นิวเคลียสเพิ่มขึ้น ดังนัน้ แรงดึงดูดระหวางนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนวงนอกสุดจึงเพิ่มขึ้น รัศมีอะตอมจึงลดลง

ขนาดของอะตอมขนาดของอะตอม

2.2. ขนาดของไอออนขนาดของไอออน

• ขนาดของไอออนขึ้นกับประจุบวกของนิวเคลียส จํานวนอเิล็กตรอน และออรบิทัลของเวเลนซอิเล็กตรอน

• ไอออนบวกของธาตุใดๆ เปนการดึงเอาอเิล็กตรอนออกจากอะตอม ทําใหมีขนาดรัศมีเล็กลงกวาอะตอมเดิม

• ไอออนลบของธาตใุดๆ จะเปนการเพิ่มจํานวนอเิล็กตรอน ทําใหมีขนาดรัศมีเพิ่มขึ้นจากอะตอมเดิม

ขนาดของไอออนขนาดของไอออน

• ไอออนที่มีประจุเทากัน รัศมีไอออนของหมูเดียวกันจะเพิ่มขึ้นจากบนลงลาง

• ไอออนที่มีจาํนวนอเิล็กตรอนเทากนั (isoelectronic series) ถาประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น รัศมีของไอออนจะมีขนาดเล็กลง เชน

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

3.3. พลังงานไอออไนเซชันพลังงานไอออไนเซชัน

• พลังงานไอออไนเซชันที่หนึ่ง (I1) เปนพลังงานทีต่องใชในการดึงอิเล็กตรอนตัวแรกออกจากอะตอมอิสระในสถานะแกส

Na(g) → Na+(g) + e-

• พลังงานไอออไนเซชันที่สอง (I2) เปนพลังงานทีต่องใชในการดึงอิเล็กตรอนออกจากไอออนที่มีประจุ +1 ในสถานะแกส

Na+(g) → Na2+(g) + e-

• คาพลังงานไอออไนเซชันสูง แสดงวาการดึงอิเล็กตรอนออกไปทําไดยาก

พลังงานไอออไนเซชันพลังงานไอออไนเซชัน

• พลังงานไอออไนเซชันในแตละธาตุ จะมีคาสูงเพิ่มขึ้นมาก เมือ่เกี่ยวของกับการดึงอิเล็กตรอนออกจากสภาวะที่มีการจัดเรียง

อิเล็กตรอนคลายแกสมีตระกลู (inner-pair effect)

พลังงานไอออไนเซชันพลังงานไอออไนเซชัน

• คาพลังงานไอออไนเซชันในหมูเดียวกันจะลดลงจากบนลงลาง เนือ่งจากธาตุคาบลางมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดที่สามารถดึงออกไดงาย

• แนวโนมพลังงานไอออไนเซชันที่หนึ่ง จะเพิ่มขึ้นจากซายไปขวาในคาบเดียวกัน เนือ่งจากแรงดึงดูดระหวางนิวเคลียสกับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น ยกเวนบางธาตุ

• ขอยกเวน การดึงอเิล็กตรอนจากธาตุที่มีการจัดอเิล็กตรอนแบบบรรจุเต็ม และบรรจุครึ่งออรบิทัล

พลังงานไอออไนเซชันพลังงานไอออไนเซชัน

• การจัดอเิล็กตรอนแบบบรรจุเตม็และบรรจุครึ่ง สงผลใหอะตอมมีความเสถียรมากกวา เชน

การจัดเรียงอเิล็คตรอนแบบ s2p3 จะเสถียรกวาการจัดเรียงแบบ s2p4

• การบรรจุเตม็จะเสถียรกวาบรรจุครึ่ง เชน การจัดเรียงอเิล็คตรอนแบบ s2p0 จะเสถียรกวาการจัดเรียงแบบ s1p1

พลังงานไอออไนเซชันพลังงานไอออไนเซชัน

การจัดเรียงอิเลก็ตรอนของไอออน

• ไอออนบวก: อิเล็กตรอนที่อยูในออรบิทัลที่มีเลขควอนตัมสูงสุดจะถูกดึงออกไปกอน:

Li (1s2 2s1) ⇒ Li+ (1s2) Fe ([Ar]3d6 4s2) ⇒ Fe3+ ([Ar]3d5)

• ไอออนลบ: จะเติมอิเล็กตรอนในออรบิทัลที่มีเลขควอนตัมสูงสุด:F (1s2 2s2 2p5) ⇒ F− (1s2 2s2 2p6)

4.4. สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

Electron affinityElectron affinity• สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนจะตรงขามกับพลังงานไอออไนเซชัน

• สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน เปนพลังงานที่เกิดขึ้นเมื่ออะตอมในสถานะแกสรับอิเล็กตรอนเกดิเปนไอออนที่มีประจุ -1 ในสภาพที่เปนแกส:

Cl(g) + e- → Cl-(g)• สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน สามารถเปนไดทั้งการคายพลังงาน (ตัวอยางขางบน) หรือเปนการดูดพลังงาน เชน

Ar(g) + e- → Ar-(g)

สัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

• การเตมิอิเลก็ตรอนเพิ่มลงไปอีกใน Ar ทําใหตองมีการเตมิอิเล็กตรอนลงในออรบิทัล 4s ซึ่งมีพลังงานสูงกวาออรบิทัล 3p มาก พลังงานจึงมีคาบวก (ดูดพลังงาน)

คาสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนคาสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน

5.5. คาอิเล็กโทรเนกาติวิตีคาอิเล็กโทรเนกาติวิตี

• ความสามารถที่อะตอมจะดึงดูดอเิล็กตรอนเขามาหาอะตอมนัน้

• จะเพิ่มจากซายไปขวาในคาบเดียวกัน และลดลงจากบนลาง

โลหะโลหะ อโลหะอโลหะ และกึ่งโลหะและกึ่งโลหะ

โลหะโลหะ

• โลหะสวนใหญเปนของแข็งที่อุณหภูมิหอง นําความรอนและไฟฟาไดดี ตีแผใหเปนแผนหรือดึงเปนเสนได ออกไซดของโลหะเปนเบส มักมีเลขออกซิเดชันเปนบวกเมื่อเกดิเปนสารประกอบ

• ธาตุหมูเดียวกัน ความเปนโลหะจะลดลงจากบนลงลาง• ธาตุคาบเดียวกัน ความเปนโลหะจะลดลงจากซายลงไปขวา • โลหะมีคาพลังงานไอออไนเซชันต่าํ

• โลหะสวนใหญมักจะถกูออกซิไดสมากกวาถูกรีดิวซ

โลหะโลหะ

• เมื่อโลหะถูกออกซิไดส โลหะจะกลายเปนไอออนบวกโลหะหมู 1A จะเกดิไอออน M+

โลหะหมู 2A จะเกดิไอออน M2+

• ขณะที่โลหะทรานสิชันสามารถมีประจุไดหลายคา

• ออกไซดของโลหะเปนออกไซดเบส:

Metal oxide + water → metal hydroxideNa2O(s) + H2O(l) → 2NaOH(aq)

เลขออกซิเดชันของโลหะเลขออกซิเดชันของโลหะ อโลหะอโลหะ และกึ่งโลหะและกึ่งโลหะ

อโลหะอโลหะ

• เมื่ออโลหะทําปฎิกิริยาหรือเกิดเปนสารประกอบกับโลหะ อโลหะจะมีแนวโนมเปนตัวใหอิเล็กตรอน:

metal + nonmetal → salt2Al(s) + 3Br2(l) → 2AlBr3(s)

• ออกไซดของอโลหะเปนออกไซดกรด:

nonmetal oxide + water → acidP4O10(s) + H2O(l) → 4H3PO4(aq)

กึ่งโลหะกึ่งโลหะ

• กึ่งโลหะเปนธาตทุี่มีสมบัติอยูระหวางโลหะและอโลหะ เชน ซิลิกอน เปนธาตทุี่มีความมันวาว แตเปราะ

• ธาตกุึง่โลหะมีการประยุกตใชในอตุสาหกรรมสารกึ่งตัวนาํ

โลหะหมูโลหะหมู IA IA ((โลหะอัลคาไลโลหะอัลคาไล))

Na line (589 nm): 3p → 3s transition

Li line: 2p → 2s transition

K line: 4p → 4s transition

โลหะหมูโลหะหมู IAIA

โลหะหมูโลหะหมู IIA (alkali earth)IIA (alkali earth)

สมบัติบางประการของโลหะหมูสมบัติบางประการของโลหะหมู IIAIIA

สมบัติบางประการของธาตุหมูสมบัติบางประการของธาตุหมู IIIAIIIA

สมบัติบางประการของธาตุหมูสมบัติบางประการของธาตุหมู IIIAIIIA

BoraneBorane chemistrychemistry

ธาตุหมูธาตุหมู IVAIVA

ธาตุหมูธาตุหมู VA VA PnictogensPnictogens

ธาตุหมูธาตุหมู VA VA PnictogensPnictogens

ธาตุหมูธาตุหมู VIA (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)

สมบัติบางประการของธาตุหมูสมบัติบางประการของธาตุหมู VIAVIA

ธาตุหมูธาตุหมู VIIA VIIA ((เฮโลเจนเฮโลเจน))

ธาตุหมูธาตุหมู VIIA VIIA ((เฮโลเจนเฮโลเจน))

ธาตุหมูธาตุหมู VIIA VIIA ((เฮโลเจนเฮโลเจน))

ธาตุหมูธาตุหมู VIIA VIIA ((เฮโลเจนเฮโลเจน))

สมบัติบางประการของธาตุหมูสมบัติบางประการของธาตุหมู VIIAVIIAสรุปสมบัติทั่วๆ ไปของธาตุหมู ไดดังนี้

1.เปนอโลหะ มีเวเลนซอิเล็กตรอนเทากับ 7 สภาวะปกติ 2 และ l2 เปนกาซ สีเหลืองออนและเขยีวออนตามลําดับ r2 เปนของเหลวสีน้ําตาลแดง และ 2 เปน ของแขง็สีมวง ซึ่งสีของธาตุฮาโลเจนจะเขมขึน้ เมือ่เลขอะตอมเพิ่มขึน้ ทุกตัวเปนสารพิษ

2 ความเปนโลหะจะเพิ่มขึน้ เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึน้

3 ธาตุฮาโลเจนทุกตวัอยูในสภาพโมเลกุลอะตอมคู (diatomicmolecule

ทุกสถานะทั้งของแข็ง ของเหลวและกาซ โดยยึดเหนีย่วกันดวยพันธะโคเวเลนต

4 ไมนําความรอนและไฟฟาเพราะเปนอโลหะ

5 อะตอมมขีนาดเล็ก เมื่อเปรียบเทยีบกับธาตุในคาบเดียวกัน แตมขีนาดใหญขึ้น เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึน้

6 ความหนาแนนนอย แตความหนาแนนจะเพิ่มขึน้เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึน้

7 มีจดุหลอมเหลว จุดเดือดและความรอนแฝงของการเกิดไอต่ํา เนื่องจากมีแรงยึดเหนีย่วระหวางโมเลกุล (คือแรงวันเดอรวาลส) นอย แตจุดหลอมเหลว จุดเดือดและความรอนแฝงของการเกิดไอเพิ่มขึน้ เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึน้ เพราะมีแรงวันเดอรวาลสเพิ่มขึน้ นอกจากนี้การระเหยของธาตุหมู จะคอยๆ ลดลง เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึน้ เพราะแรงวันเดอรวาลสเพิ่มขึน้

8 มีคาอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ในคาบเดียวกัน และคาอิเล็กโทรเนกาติวิตีจะคอยๆ ลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น

9 มี 1 คอนขางสูง และคา 1 จะคอยๆ ลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึน้ เนื่องจากขนาดอะตอมใหญขึ้น

10 มีเลขออกซิเดชันไดหลายคา เนื่องจากมี 7 เวเลนซอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถจะใหหรือรับอิเล็กตรอนจากธาตุอื่น หรือใชอิเล็กตรอนรวมกับธาตุอื่นๆ ซึ่งมีคาอิเล็กโทรเนกาติวิตีตางๆ กันได ทําใหมีเลขออกซิเดชันหลายคา เชน ตัวอยางของธาตุ

l มีเลขออกซเิดชันตั้วแต -1 ถึง +7

11 เกิดสารประกอบไดหลายชนิด เชน a l a 2 และยังเกิดสารประกอบ ที่มีธาตุองคประกอบชนิดเดียวกันไดหลายชนดิ เพราะมีเลขออกซิเดชันหลายคา เชน a l a l 2 a l 3 a l 4

l2 l 2 l 3 และ l2 7 เปนตน

12 ธาตุหมู ละลายในน้ําไดเล็กนอยและใหสีตางๆ กัน เนื่องจากเปนโมเลกุลไมมีขั้ว จึงละลายไดดีในตัวทําละลายอินทรีย เชน ใน l4 l2 ใน l4 ไมมีสี >> r2 ใน l4 สีสม >> 2 ใน l4 สีมวง

13 ธาตุที่อยูตอนบนของหมู สามารถทําปฏิกิริยากับสารประกอบแฮไลดของธาตุที่อยูตอนลางได แตธาตุอยูตอนลาง จะไมทําปฏิกิริยากับสารประกอบแฮไลดของธาตุที่อยูตอนบน จึงสรุปไดวา ความสามารถในการทําปฏิกิริยาของธาตุหมู จะลดลงจากบนลงลาง ดังตาราง

Noble gasNoble gas

• ทุกตัวเปนอโลหะและเปนอะตอมเดี่ยว

• ทุกตัวมีอิเลก็ตรอนใน s และ p ออรบิทัลที่เต็ม• ในป 1962 ไดมีการเตรียมสารประกอบของแกสมีตระกลูของ

ซีนอนเปนตัวแรก: XeF2 XeF4 และ XeF6

• ปจจุบันไดมกีารเตรียมสารประกอบของแกสมีตระกูลมากขึ้น เชน KrF2 และ HArF

สมบัติบางประการของแกสมีตระกูลสมบัติบางประการของแกสมีตระกูล

สมบัติบางประการของแกสมีตระกูลสมบัติบางประการของแกสมีตระกูล

การจัดอิเล็กตรอนของธาตุทรานสิชันการจัดอิเล็กตรอนของธาตุทรานสิชัน

• เมื่อเปรียบเทียบการจัดอเิล็กตรอน ในอะตอมและในไอออน เชน Fe

ในอะตอมอสิระ

Fe ⇒ [Ar] 4s2 3d6

เมื่อเกดิเปนสารประกอบ

Fe2+ ⇒ [Ar] 3d6

Fe3+ ⇒ [Ar] 3d5

การจัดอิเล็กตรอนของธาตุทรานสิชันการจัดอิเล็กตรอนของธาตุทรานสิชัน

• ในการเกิดไอออนนัน้ จะเสียอิเล็กตรอน ใน 4s-ออรบิทัลกอน และบางกรณีจะเสียอิเล็กตรอน ใน 3d-ออรบิทัลดวย

• อิเล็กตรอนใน 4s-ออรบิทัลมีพลังงานสูงกวา 3d-ออรบิทัล• บางธาตตุองพิจารณาการบรรจุแบบครึ่งจะมีความเสถียรกวา

Cr ⇒ [Ar] 3d5 4s1

Cr3+ ⇒ [Ar] 3d3

เอกสารอางอิงเอกสารอางอิง

• ทบวงมหาวิทยาลัย เคมี เลม 1 สํานักพิมพอักษรเจริญทัศน กรุงเทพฯ 2529• ทบวงมหาวิทยาลัย เคมี เลม 2 สํานักพิมพอักษรเจริญทัศน กรุงเทพฯ 2532• http://www.chem.neu.edu/courses/reiff/download

/Blb_Chpt07.ppt