การจัดธาตุเป็นหมวดหมู่ของนักเคมียุคต่าง ๆ
ตารางธาตุ หมายถึง ตารางที่นักวิทยาศาสตร์สร้างขึ้นมา เพื่อแบ่งธาตุที่มีสมบัติเหมือนกันออกเป็นหมวดหมู่ เพื่อให้ง่ายแก่การศึกษา โดยแบ่งธาตุทั้งหมดออกเป็นหมู่และคาบ
ธาตุที่อยู่ในแนวดิ่งเดียวกัน เรียกว่า อยู่ในหมู่เดียวกัน
ธาตุที่อยู่ในแนวนอนเดียวกัน เรียกว่า อยู่ในคาบเดียวกัน
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 เรียกว่ากฎชุดสาม(law of triads หรือ Dobereine’s law of triads)
ตาราง มวลอะตอมเฉลี่ยของธาตุบางกลุ่มตามกฎชุดสาม
ธาตุ
|
มวลอะตอม
|
มวลอะตอมของธาตุแถวที่1 และ 3
|
Li
Na
K
Cl
Br
I
|
6.940
22.997
39.096
35.453
79.909
126.197
|
23.018
81.197
|
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
ตาราง ตัวอย่างการจัดตารางธาตุของนิวแลนด์ส์
H
|
Li
|
Be
|
B
|
C
|
N
|
O
|
F
|
Na
|
Mg
|
Al
|
Si
|
P
|
S
|
Cl
|
K
|
Ca
|
Cr
|
Ti
|
Mn
|
Fe
|
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)
เกณฑ์ที่สำคัญที่เมนเดเลเอฟใช้คือ จัดธาตุที่มีสมบัติคล้ายคลึงกันที่ปรากฏซ้ำกันเป็นช่วง ๆ ให้อยู่ในหมู่หรือในแนวตั้งเดียวกัน และพยายามเรียงลำดับมวลอะตอมจากน้อยไปหามาก ในกรณีที่เรียงตามมวลอะตอมแล้วสมบัติของธาตุไม่สอดคล้องกัน ก็พยายามจัดให้เข้าหมู่โดยปล่อยให้ช่องว่างเว้นไว้ในตารางซึ่งเมนเดเลเอฟคิดว่า ช่องว่างเหล่านั้นน่าจะเป็นตำแหน่งของธาตุซึ่งยังไม่มีการค้นพบในขณะนั้น ในการจัดตารางธาตุนอกจากจะใช้มวลอะตอมแล้ว ยังใช้สมบัติทางเคมีและทางกายภาพของสารประกอบอื่น ๆ นอกเหนือจากสารประกอบคลอไรด์ และออกไซด์มาประกอบการพิจารณาด้วย
ตาราง ตารางพิริออดิกของเมนเดเลเอฟ
หมู่ 1
|
หมู่ 2
|
หมู่ 3
|
หมู่ 4
|
หมู่ 5
|
หมู่ 6
|
หมู่ 7
|
หมู่ 8
| |
1
|
H 1
| |||||||
2
|
Li 7
|
Be 9.4
|
B 11
|
C 12
|
N 14
|
O 16
|
F 19
| |
3
|
Na 23
|
Mg 24
|
Al 27.3
|
Si 28
|
P 31
|
S 32
|
Cl 35.5
| |
4
|
K 29
|
Ca 40
|
-44
|
Ti 48
|
V 51
|
Cr 52
|
Mn 55
|
Fe 56 Co 59
Ni 59 Cu 63
|
5
|
(Cu 63 )
|
Zn 65
|
-68
|
-72
|
As 75
|
Se 78
|
Br 80
| |
6
|
Rb 85
|
Sr 87
|
? Yt 88
|
Zr 90
|
Nb 94
|
Mo 96
|
-100
|
Ru104 Rh104
Pd105 Ag 108
|
7
|
(Ag 108)
|
Cd 112
|
In 113
|
Sn 118
|
Sb 122
|
Te 125
|
1127
| |
8
|
Cs 133
|
Ba 137
|
? Di 138
|
? Ce 140
|
-
|
-
|
-
|
-
|
9
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
10
|
-
|
-
|
? Er 178
|
? La 180
|
Ta 182
|
W 184
|
-
|
Os 195 Ir197
|
11
|
(Au 199)
|
Hg 200
|
Tl 204
|
Bi 208
|
Bi 208
|
-
|
-
|
Pt 198 Au 199
|
12
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
U 240
|
-
|
- -
- -
|
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
ตาราง เปรียบเทียบสมบัติของธาตุเอคาซิลิคอนกับเจอร์เมเนียมที่ทำนายและที่ค้นพบ
สมบัติ
|
เอคาซิลิคอนทำนายเมื่อ พ.ศ. 2414 (ค.ศ. 1871)
|
เจอร์เมเนียมพบเมื่อ
พ.ศ. 2429 (ค.ศ.1886)
|
มวลอะตอม
สีของธาตุ
ความหนาแน่น (g/cm3)
จุดหลอมเหลว (0C )
สูตรของออกไซด์
ความหนาแน่นของออกไซด์ (g/cm3)
เมื่อผสมกับกรดไฮโดรคลอริก
|
72
เป็นโลหะสีเทา
5.5
สูง
GeO2
4.7
ละลายได้เล็กน้อย
|
72.6
เป็นโลหะสีเทา
5.36
958
GeO2
4.70
ไม่ละลายที่ 250C
|
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” อ่านต่อ
ที่มาและเนื้อหาเพิ่มเติม: http://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7180-2017-06-05-14-30-33
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น