ธาตุและคุณสมบัติของธาตุ

ธาตุและสารประกอบ มนุษย์พยายามศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับลักษณะโครงสร้างของสารมาเป็นเวลานานจนในที่สุด จอห์น ดอลตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้เสนอแนวคิดว่า ถ้าแบ่งสารชิ้นใดชิ้นหนึ่งเป็นหน่วยย่อยที่สุด โดยแต่ละชิ้นยังคงสมบัติเติมของสารนั้นไว้เรียกหน่วยย่อยที่สุดว่า อะตอม ถ้านำสสารชิ้นใดมาศึกษาสมบัติของแต่ละอะตอมแล้วปรากฏว่าเป็นอะตอมชนิดเดียวกันเรียกสสารชิ้นนั้นว่า ธาตุ 1. ธาตุ คือ สารประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกันไม่สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงให้กลายเป็นอนุภาคที่ย่อยกว่านี้ด้วยวิธีการทางเคมี เช่น เหล็ก ทองแดง เป็นต้น 2. สัญลักษณ์ของธาตุ เนื่องจากธาตุมีอยู่หลายชนิด จอห์น ดอลตัน จึงเสนอให้มีการใช้รูปภาพเป็นสัญลักษณ์แทนชื่อธาตุ ในปี พ.ศ. 2361 นักเคมีชาวสวีเดนชื่อ จาคอบ เบอร์ซีเลียส (Jacob Berzlius) เห็นว่าได้มีการค้นพบธาตุใหม่ ๆ เป็นจำนวนมาก การใช้รูปภาพไม่สะดวก จึงเสนอให้ใช้ตัวอักษรแทนชื่อธาตุ เพื่อให้สะดวกและมีความเป็นสากลมากขึ้น ควรใช้อักษรตัวต้นในภาษาอังกฤษหรือละตินเป็นสัญลักษณ์แทนอะตอมของธาตุ เพื่อไม่ให้สัญลักษณ์ซ้ำกันให้ใช้อักษรตัวรองหรือตัวถัดไปควบกับอักษรตัวต้นโดยเขียนตัวพิมพ์ใหญ่สำหรับอักษรตัวต้น และใช้อักษรตัวเล็กสำหรับตัวรอง ธาตุและสารประกอบ Part 1 Element ธาตุ (Element) หมายถึง สารบริสุทธิ์เนื้อเดียวมีองค์ประกอบเพียงอย่างเดียว มีสมบัติเฉพาะตัวและจุดเดือดจุดหลอมเหลว คงที่ ตารางธาตุ ตารางธาตุ (Periodic table) คือ ตารางที่ใช้แสดงรายชื่อธาตุเคมี คิดค้นขึ้นโดยนักเคมีชาวรัสเซีย ดมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) ในปี พ.ศ. 2412 จากการสังเกตว่า เมื่อนำธาตุที่รู้จักมาวางเรียงตามลำดับเลขอะตอม จะพบว่าคุณสมบัติพื้นฐานบางอย่างคล้ายกัน สามารถจำแนกเป็นกลุ่มๆ ได้ทำให้เกิดรูปแบบตารางธาตุ และพัฒนาต่อเนื่องมาจนเป็นอย่างที่เห็น ตารางธาตุเป็นส่วนหนึ่งในการเรียนการสอนวิชาเคมีด้วย ประวัติศาสตร์ของตารางธาตุ เริ่มต้นจาก จอห์น นิวแลนด์ส ได้พยายามเรียงธาตุตามมวลอะตอม แต่เขากลับทำให้ธาตุที่มีสมบัติต่างกันมาอยู่ในหมู่เดียวกัน นักเคมีส่วนมากจึงไม่ยอมรับตารางธาตุของนิวแลนด์ส ต่อมา ดมีตรี เมนเดเลเยฟ จึงได้พัฒนาโดยพยายามเรียงให้ธาตุที่มีสมบัติเหมือนกันอยู่ในหมู่เดียวกัน และเว้นช่องว่างไว้สำหรับธาตุที่ยังไม่ค้นพบ พร้อมกันนั้นเขายังได้ทำนายสมบัติของธาตุใหม่ไว้ด้วย โดยใช้คำว่า เอคา (Eka) นำหน้าชื่อธาตุที่อยู่ด้านบนของธาตุที่ยังว่างอยู่นั้น เช่น เอคา-อะลูมิเนียม (ต่อมาคือธาตุแกลเลียม) เอคา-ซิลิคอน (ต่อมาคือธาตุเจอร์เมเนียม) แต่นักเคมีบางคนในยุคนั้นยังไม่แน่ใจ เนื่องจากว่าเขาได้สลับที่ธาตุบางธาตุโดยเอาธาตุที่มีมวลอะตอมมากกว่ามาไว้หน้าธาตุที่มีมวลอะตอมน้อยกว่า ดมีตรีได้อธิบายว่า เขาต้องการให้ธาตุที่มีสมบัติเดียวกันอยู่ในหมู่เดียวกัน เมื่อดมีตรีสามารถทำนายสมบัติของธาตุได้อย่างแม่นยำ และตารางธาตุของเขาไม่มีข้อน่าสงสัย ตารางธาตุของดมีตรีก็ได้รับความนิยมจากนักเคมีในสมัยนั้นจนถึงยุคปัจจุบัน ชื่อธาตุแบ่งตามหมู่ หมู่ 1A ลิเทียม (Lithium) โซเดียม (Sodium - Natrium) โพแทสเซียม (Potassium – Kalium) รูบิเดียม (Rubidium) ซีเซียม (Cesium) แฟรนเซียม (Francium) หมู่ 2A เบริลเลียม (Beryllium) แมกนีเซียม (Magnesium) แคลเซียม (Calcium) สตรอนเชียม (Strontium) แบเรียม (Barium) เรเดียม (Radium) หมู่ 3A โบรอน (Boron) อะลูมิเนียม (Aluminum) แกลเลียม (Gallium) อินเดียม (Indium) แทลเลียม (Thallium) หมู่ 4A คาร์บอน (Carbon) ซิลิกอน (Silicon) เจอร์เมเนียม (Germanium) ดีบุก (Tin - Stannum) ตะกั่ว (Lead – Plumbum) หมู่ 5A ไนโตรเจน (Nitrogen) ฟอสฟอรัส (Phosphorous) อะซินิค (สารหนู) (Arsenic) พลวง (Antimony - Stibium) บิสมัท (Bismuth) หมู่ 6A ออกซิเจน (Oxygen) ซัลเฟอร์ (กำมะถัน) (Sulfur) ซีลีเนียม (Selenium) เทลลูเรียม (Tellurium) พอโลเนียม (Polonium) หมู่ 7A ฟลูออรีน (Fluorine) คลอรีน (Chlorine) โบรมีน (Bromine) ไอโอดีน (Iodine) แอสทาทีน (Astatine) หมู่ 8A ฮีเลียม (Helium) นีออน (Neon) อาร์กอน (Argon) คริปตอน (Krypton) ซีนอน (Xenon) เรดอน (Radon) ยกเว้น ไฮโดรเจน เพราะยังถกเถียงกันอยู่ว่าจะจัดลงไปที่หมู่ 1 หรือ 7 ดี เพราะคุณสมบัติเป็นกึ่ง ๆ กัน ระหว่าง 1A กับ 7A และธาตุประเภททรานซิชัน แหล่งกำเนิดของธาตุในจักรวาล 1.ไฮโดรเจนและฮีเลียมเกิดเริ่มแรกในจักรวาลหลังบิกแบง 2.ธาตุตัวที่ 3 คือลิเทียม ถึงตัวที่ 26 คือ เหล็กเกิดจากภาวะอัดแน่นในดวงดาว 3.ธาตุตัวที่หนักกว่าเหล็กจนถึงยูเรเนียมเกิดจากดาวระเบิด หรือปรากฏการณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นในดาวฤกษ์ (กรณีหลังจะได้กัมมันตภาพรังสีเป็นส่วนมาก) อนุกรมเคมี 1. โลหะแอลคาไลน์ (Alkalimetal) เป็นอนุกรมเคมี ประกอบด้วยธาตุในหมู่ 1 ในตารางธาตุ ยกเว้นไฮโดรเจน โลหะแอลคาไลน์เป็นธาตุโลหะที่วาเลนซ์อิเล็กตรอนเพียง 1 อะตอมทำให้ว่องไวต่อการเกิดปฏิกิริยามาก จึงไม่พบธาตุในรูปอิสระตามธรรมชาติและทำปฏิกิริยากับน้ำได้รุนแรงมากได้ก๊าซ H2 เมื่อเป็นไอออนจะมีประจุ +1 สารประกอบเกลือละลายน้ำได้ดี เช่น KCl, NaCl นอกจากนี้ยังเป็นตัวนำความร้อนและตัวนำไฟฟ้าที่ดีมีอ่อนกว่าโลหะกลุ่มอื่นๆ 2. โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท (Alkaline earth metal) เป็นอนุกรมเคมี ในตารางธาตุประกอบด้วยธาตุเคมี ในหมู่ที่ 2 โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท เป็นธาตุที่มีความว่องไวในการทำปฏิกิริยาสูง แต่น้อยกว่าโลหะหมู่ 1 มีความหนาแน่น, ความแข็ง, จุดเดือด และจุดหลอมเหลว สูงกว่าธาตุหมู่ 1 เป็นไอออนที่มีประจุ +2 3. โลหะแลนทาไนด์ (Lanthanide) เป็น อนุกรมเคมีของธาตุ ในตารางธาตุ จำนวน 15 ตัว ตั้งแต่ ธาตุแลนทานัมถึง ธาตุลูทีเตียม ชื่ออนุกรมมีที่มาจากชื่อธาตุแลนทานัม ซึ่งเป็นธาตุแรกในอนุกรม สิ่งที่น่าสนใจ ได้แก่ ธาตุทุกตัวในอนุกรมมีเลขอะตอมมาก และเป็นธาตุหายาก 4. โลหะแอกทิไนด์ (Actinide) เป็น อนุกรมเคมีของธาตุ ในตารางธาตุ จำนวน 15 ตัว ตั้งแต่ ธาตุแอกทิเนียม ถึง ธาตุลอว์เรนเซียม สิ่งที่น่าสนใจ ได้แก่ ชื่ออนุกรมมีที่มาจากชื่อธาตุแอกทิเนียม ซึ่งเป็นธาตุแรกในอนุกรมธาตุทุกตัวในอนุกรมมีเลขอะตอมสูง และเป็นธาตุหายาก ธาตุทุกตัวในอนุกรมแอกทิไนด์อยู่ใน บล็อก-f ยกเว้นลอว์เรนเซียมและธาตุทุกตัวในอนุกรมแอกทิไนด์เป็นธาตุกัมมันตรังสี มีเลขอะตอมสูง มีครึ่งชีวิตสั้น 5. โลหะทรานซิชัน (transition metal) มีการนิยามความหมายของโลหะทรานซิชันในอนุกรมเคมี 2 ประการดังนี้ ธาตุในบล็อก-ดี (d-block) ของตารางธาตุซึ่งประกอบด้วยสังกะสี (Zn) และสแคนเดียม (Sc) ซึ่งหมายรวมถึงธาตุทั้งหมดในตารางธาตุหมู่ที่ 3 ถึง 12 ธาตุในบล็อก-ดี (d-block) ทั้งหมดนี้จะมีอย่างน้อย 1 รูปแบบ ที่มี 1 ไอออน ที่อยู่ในวงโคจร-ดี (d shell of electrons) โลหะทรานซิชันมีทั้งหมด 40 ตัว จะประกอบด้วยธาตุที่มีเลขอะตอมดังนี้ 21 ถึง 30,39 ถึง 48,71 ถึง 80, และ 103 ถึง 112 ชื่อ “ทรานซิชัน” มาจากตำแหน่งของมันในตารางธาตุทั้ง 4 คาบที่มันอยู่ ธาตุเหล่านี้จะแทนการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนเข้าไปอยู่ในวงโคจร ดี ของอะตอม (atomic orbital) ด้วยเหตุนี้ โลหะทรานซิชันจึงมีความหมายถึงการส่งผ่าน (transition) ของธาตุหมู่ 2 และหมู่ 13 สมบัติของโลหะทรานซิชัน โลหะทรานซิชันทุกธาตุจะเป็นโลหะแต่มีความเป็นโลหะน้อยกว่าธาตุหมู่ IA และ IIA มีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง ยกเว้นปรอทที่เป็นของเหลว มีจุดหลอมเหลว จุดเดือด และความหนาแน่นสูงนำไฟฟ้าได้ดี ซึ่งในโลหะทรานซิชัน ธาตุที่นำไฟฟ้าได้ดีที่สุดคือ เงิน (คาบ 5) และรองลงมาคือ ทอง (คาบ 6) นำความร้อนได้ดี ธาตุทรานซิชันทั้งหมดมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่ากับ 2 ยกเว้นธาตุโครเมียม และทองแดง ที่มีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเป็น 1 สารประกอบของธาตุเหล่านี้จะมีสีสัน มีพลังงานไอออไนเซชันลำดับที่ 1 และอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำ ขนาดอะตอม จะมีขนาดไม่แตกต่างกันมากโดยที่ ในคาบเดียวกันจะเล็กจากซ้ายไปขวา ในหมู่เดียวกันจะใหญ่จากบนลงล่าง ธาตุเหล่านี้มีหลายออกซิเดชั่นสเตตส์ (oxidation states) ธาตุเหล่านี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา (catalysts) ที่ดี ธาตุเหล่านี้มีสีฟ้า-เงินที่อุณหภูมิห้อง (ยกเว้นทองคำและทองแดง) สารประกอบของธาตุเหล่านี้สามารถจำแนกโดยการวิเคราะห์ผลึก 6. โลหะหลังทรานซิชัน (post-transition metals) คือธาตุในอนุกรมเคมีของตารางธาตุที่อยู่ระหว่างธาตุกึ่งโลหะ(Metalloids) และธาตุโลหะทรานซิชัน (transition metals) มีประจุไฟฟ้าบวกมากกว่าโลหะแอลคาไลน์ (alkali metals) และ โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท (alkaline earth metals) มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำกว่าโลหะทรานซิชัน 7. กึ่งโลหะ (Metalloid) เป็นธาตุในอนุกรมเคมี ที่มีสมบัติทั้งทางเคมีและฟิสิกส์อยู่กึ่งกลางระหว่างโลหะและอโลหะ คุณสมบัติสำคัญที่ใช้จำแนกประเภทของธาตุเหล่านี้คือคุณสมบัติการนำไฟฟ้า 8. อโลหะ (Non-metal) คือ ธาตุที่มีคุณสมบัติต่างจากโลหะและธาตุกึ่งโลหะ ในด้านการแตกตัวของไอออน (ionization) และการดึงดูดระหว่างอะตอม (bonding properties) อโลหะทุกตัวจะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ (highly electronegative) โดยการรับอิเล็กตรอน (valence electrons) จากอะตอมของธาตุอื่น โดยทั่วไป อโลหะมีสมบัติตรงข้ามกับโลหะ ได้แก่ ทางกายภาพ อโลหะเป็น ฉนวนไฟฟ้า หรือ กึ่งตัวนำไฟฟ้า (ขณะที่ โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้า) ยกเว้น คาร์บอนในอันยรูป แกรไฟต์ อโลหะเป็น ฉนวนความร้อน อโลหะมีจุดหลอมเหลวได้หลากหลาย กล่าวคีอมีหลายสถานะ (ขณะที่ โลหะส่วนใหญ่ ที่เป็นสารบริสุทธิ์ มีจุดหลอมเหลวสูง กล่าวคือเป็นของแข็ง ที่ STP ยกเว้น ปรอท) ด้านชนิดและปริมาณ อโลหะ มีจำนวนชนิดน้อยกว่าคือเพียง 22 ชนิด (ขณะที่ โลหะมีมากกว่า 80 ชนิด) แต่สสารในโลกมีปริมาณธาตุองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นอโลหะ ทั้งเปลือกโลก, บรรยากาศ, พื้นน้ำ และ สิ่งมีชีวิต ล้วนมีธาตุองค์ประกอบเกือบทั้งหมดเป็นอโลหะ ทางเคมี อโลหะแตกตัวในสารละลาย ให้ประจุลบ อโลหะมีคุณสมบัติความวาวและความด้านที่หลากหลาย (ขณะที่ โลหะบริสุทธิ์มีความวาวแบบโลหะ) ในการทำปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน อโลหะเป็นตัวออกซิไดซ์ที่ดี กล่าวคือทำหน้าที่รับอิเล็กตรอน (ขณะที่โลหะเป็นตัวรีดิวซ์ที่ดี กล่าวคือทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอน) ออกไซด์ของอโลหะ ส่วนใหญ่เป็นกรด อโลหะส่วนมาก มีวาเลนซ์เพียง 2 อะตอม (diatomic) อโลหะที่เหลือ มีวาเลนซ์หลายอะตอม (polyatomic) อโลหะที่มีวาเลนซ์ 2 อะตอม ได้แก่ ไฮโดรเจน (hydrogen – H) คาร์บอน (carbon - C) ไนโตรเจน (nitrogen – N) ออกซิเจน (oxygen – O) 9. แชลโคเจน (chalcogens)คือ อนุกรมเคมีของธาตุเคมีในหมู่ 16 ตารางธาตุ ซึ่งอยู่ในตระกูลธาตุเดียวกับออกซิเจน (oxygen family) มีอีกชื่อหนึ่งว่าหมู่ออกซิเจน 10. แฮโลเจน (halogens) คือ อนุกรมเคมีของกลุ่มธาตุในหมู่ 7 ของตารางธาตุ แฮโลเจน แปลว่า สิ่งที่ทำให้เกิดเกลือ มาจากคำภาษากรีก 2 คำคือ halo แปลว่าเกลือ และ genแปลว่าสร้าง 11. แก๊สมีตระกูล (noble gases) หรือเรียกว่า แก๊สเฉี่อย (inert gases) คือ อนุกรมเคมีของกลุ่มธาตุเคมีในหมู่ 8 ของตารางธาตุ เดิมเข้าใจว่า ไม่ทำปฏิกิริยาเคมีกับธาตุใด ต่อมา นีล บาร์เลตต์ พบว่าสามารถทำปฏิกิริยาเคมีได้บ้าง แต่ก็ทำปฏิกิริยาได้ยาก แก๊สมีตระกูลมีแรงแวนเดอร์วาลส์ (แรงดึงดูดระหว่างอะตอม) น้อยมาก จึงทำให้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำมากเช่นกัน ดังนั้นจึงมีสถานะเป็นแก๊ส STP คืออะไร STP หรือ Standard Temperature and Pressure (อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน) ในวิชาเคมี หมายถึงสภาวะที่อุณหภูมิเท่ากับ 0 องศาเซลเซียส (273.15 เคลวิน) และความดันเท่ากับหนึ่งบรรยากาศ (นิยามไว้เท่ากับ 101.325 กิโลพาสคัล) ซึ่งเท่ากับอุณหภูมิจุดเยือกแข็งของน้ำ และความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลโดยประมาณ สมบัติโดยสรุปของโลหะ-อโลหะ โลหะ 1. ส่วนมากอยู่ในสถานะของแข็งยกเว้น ปรอท เป็นของเหลว ณ อุณหภูมิปกติ 2. ขัดเป็นมันวาว 3. ส่วนมากมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง 4. นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นโลหะจะนำไฟฟ้าได้น้อยลง 5. ส่วนใหญ่มีความหนาแน่นสูง 6. เหนียวดึงเป็นเส้นหรือตีแผ่เป็นแผ่นได้ 7. เคาะเสียงดังกังวาน 8. มีความโน้มเอียงที่จะเสียอิเล็กตรอนเมื่อรวมตัวกับอโลหะ 9. ส่วนใหญ่ทำปฏิกิริยากับสารละลายกรดได้ก๊าซไฮโดรเจน 10. เมื่อทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนได้สารประกอบออกไซด์ที่ละลายน้ำแล้วมีสมบัติเป็นเบส อโลหะ 1. มีทั้งสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ณ อุณหภูมิปกติ 2. ขัดไม่เป็นมันวาว 3. ส่วนมากมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ 4. เป็นฉนวนไฟฟ้า ยกเว้นแกรไฟต์ 5. มีความหนาแน่นต่ำ 6. เปราะดึงเป็นเส้นหรือตีแผ่เป็นแผ่นไม่ได้ 7. เคาะไม่มีเสียงดังกังวาน 8. มีความโน้มเอียงที่จะรับอิเล็กตรอนเมื่อรวมตัวกับโลหะ 9. ไม่ทำปฏิกิริยากับสารละลายกรด 10. เมื่อรวมตัวกับก๊าซออกซิเจนจะได้สรประกอบออกไซด์ที่ละลายน้ำแล้วมีสมบัติเป็นกรด สำหรับธาตุที่เป็นกึ่งโลหะ จะมีสมบัติก้ำกึ่งระหว่างโลหะและอโลหะ เช่น นำไฟฟ้าได้เล็กน้อยที่ภาวะปกติเมื่อทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนได้สารประกอบออกไซด์ที่มีสมบัติเป็นได้ทั้งกรดและเบส เป็นต้น