ตารางธาตุและเรพรี

อ. ประภาพรรณ ฝ่ายเทศ วชิ า เคมี 1

1. ตารางธาตุปัจจบุ ัน วธิ ีการจัดตารางธาตุ 2. สมบตั ิทางกายภาพและเคมีของธาตุตามตารางธาตุ 3. โลหะ อโลหะ กงึ่ โลหะ และสารประกอบ 4. แก๊สมีตระกลู 2

1. ตารางธาตุปัจจบุ นั แบง่ ธาตุออกเปน็ 18 คอลมั น์ ในแนวตั้ง เรียก “หมู่ (group)” ตามแนวนอน แบ่งเปน็ 7 คาบ (period)  ธาตุในหมู่เดยี วกันมีสมบตั ิคล้ายกัน การจัดเรยี ง อเิ ล็กตรอนคล้ายกันตา่ งกันที่เลขควอนตมั หลกั เทา่ นนั้ 3

แตล่ ะหมู่ ประกอบด้วย กล่มุ ย่อย A, B ทรี่ ะบุหมู่ด้วยเลข โรมนั (I, II, III..) หมู่ IA, IIA จัดเรียงเวเลนตอ์ ิเลก็ ตรอนเปน็ ns1 และ ns2 ตามลาดบั  หมู่ IIIA ถงึ VIIA และ 0 มีเวเลนตอ์ เิ ลก็ ตรอนอยูใ่ นชน้ั np ตัง้ แต่ np1 - np6 ตามลาดบั 4

ธาตหุ มู่ IA ถึง VIIA และ 0 เรยี ก “ธาตเุ รพรีเซนเตตฟิ ” ธาตใุ นหมู่ IB ถงึ VIIIB จาแนกจากการท่ีมีเวเลนต์ อเิ ลก็ ตรอนบรรจุใน d - orbitals = ns2 (n-1)dx เรียกว่า “ธาตุแทรนซิชนั ” ธาตุใน 2 แถวดา้ นลา่ งของตารางธาตุ เรียกวา่ “อนกุ รม แลนทาไนด์ และแอกทิไนด์” 5

ออร์บทิ ลั ชั้นนอกสุดของธาตใุ นตารางธาตุ ธาตุเรพรเี ซนเตติฟ ธาตแุ ทรนซชิ นั 6

7

ธาตุเรพรีเซนเตตฟิ กลุ่ม s กลุ่ม p กลุ่ม d ธาตุทรานสชิ ัน กลมุ่ f (แลนทาไนด์ และแอกทไิ นด)์ 8

solid liquid gas Rare earth Alkali Halogens Noble gases metals metals transition Alkali earth other metals Other metals 9 metals nonmetals

2. แนวโน้มของสมบัตทิ างกายภาพ 2.1 ชนดิ ของพันธะเคมีและความแข็งแรงของ พันธะ อะตอมของธาตอุ ย่รู วมกนั เปน็ กลุ่มได้ เนอ่ื งจากมแี รง ยึดเหนีย่ วซึ่งกันและกนั แรงยดึ เหนี่ยวมผี ลตอ่ สมบัติ ของธาตนุ นั้ ๆด้วย 10

พันธะโลหะ *พบในธาตกุ ลมุ่ s, d, f และ p บางส่วน โลหะท่ีมเี วเลนต์ e- มากและ ขนาดเล็ก จะมีพนั ธะโลหะทีแ่ ขง็ แรง 11

มาก พนั ธะโลหะ มาก 12

www.webelements.com 13

พันธะโคเวเลนต์ (โมเลกุลเด่ยี ว) - พันธะจากการใช้เวเลนต์อิเลก็ ตรอนรว่ มกันของธาตุอโลหะ ในหมเู่ ดียวกนั พิจารณาจากขนาดอะตอม ขนาดอะตอมใหญ่ขนึ้ จากบนลงลา่ ง พนั ธะโคเวเลนต์แข็งแรงลดลง พนั ธะแข็งแรงในอะตอมขนาดเลก็ 14

ในคาบเดยี วกนั พิจารณาจาก “จานวนเวเลนต์ e- ทใ่ี ช้สร้างพนั ธะ” ตวั อย่าง N มี 5 เวเลนต์ e- แตม่ ี e- ที่เกดิ พันธะได้เพียง 3 e- พันธะสามใน N2 O มี 6 เวเลนต์ e- และมี e- ท่ีเกดิ พันธะไดเ้ พยี ง 2 e- พนั ธะคู่ใน O2 ความแขง็ แรงของพันธะโคเวเลนต์ลดลงจากซ้ายไปขวา 15

พนั ธะโคเวเลนต์ มาก มาก 16

แรงแวนเดอร์วาลส์ โมเลกุลเด่ยี วของธาตอุ โลหะจะยึดกนั ด้วย แรงแวนเดอรว์ าลส์ ซ่ึงเปน็ แรงระหว่าง โมเลกุลทคี่ อ่ นข้างอ่อน แนวโน้มแรงดงึ ดดู ระหว่างโมเลกลุ เดยี่ ว  โมเลกลุ ขนาดใหญ่ขนึ้ แรงแวนเดอรว์ าลล์เพม่ิ ขึ้น เช่น S8 กับ O2 และ I2 กับ Cl2 17

มาก มาก แรงลอนดอน (โมเลกลุ เดย่ี ว) 18

2.2 ความหนาแน่น ความหนาแน่นของธาตุหนึ่งขน้ึ อยกู่ ับ 3 ตวั แปรคือ มวลของอะตอม, ขนาดของอะตอม, ชนดิ ของพนั ธะเคมี 19

แยกพจิ ารณาตามชนิดของรปู แบบการจดั เรียงตวั ได้ดงั นี้ โลหะ ธาตทุ มี่ ขี นาดเล็กกว่า มีมวลมากกว่า มีพนั ธะโลหะแขง็ แรงกว่า จะมคี วามหนาแนน่ มากกวา่ ดังนั้น ความหนาแน่นจะเพ่ิมขนึ้ จากซา้ ยไปขวา เชน่ Be มีความหนาแน่นมากกว่า Li 20

21

 ในหมู่เดียวกัน “ธาตหุ นักมคี วามหนาแน่นมากกว่าธาตเุ บา” เพราะมอี ตั ราการเพ่มิ ของมวลเร็วกวา่ การเพิ่มปรมิ าตร เช่น K (เลขมวล 39) และ Rb (เลขมวล 85) มีรัศมีอะตอม เปน็ 203 และ 216 pm ตามลาดบั จะเหน็ วา่ ขนาดของ อะตอมเพิม่ ขน้ึ ~20 % แต่มวลเพม่ิ ข้ึนถงึ 120 % ความ หนาแนน่ ของ Rb จงึ ควรสงู กวา่ 22

โมเลกุลเดยี่ ว กลุ่มธาตทุ างด้านขวาของตารางธาตุ มีความหนาแนน่ ตา่ กว่ากลมุ่ โลหะและกลุม่ กง่ึ โลหะ เน่ืองจากมีแรงยดึ เหนย่ี วระหวา่ งโมเลกลุ น้อยกว่า แตเ่ มอื่ ธาตขุ นาดใหญ่ขนึ้ จะมีความหนาแน่นสงู ขึ้น ตามแรงดึงดูดทีม่ ากข้ึน 23

กลมุ่ โครงร่างตาข่าย อะตอมอยู่ใกลช้ ิดกันมาก มีความหนาแน่นปานกลาง ธาตแุ ทรนซิชันซ่งึ มีขนาดเลก็ และมวลมาก มพี นั ธะโลหะ แข็งแรง “มีความหนาแนน่ สูงทส่ี ดุ ในคาบ” และธาตใุ นคาบ สงู ๆ มีแนวโน้มความหนาแน่นสงู ขึ้น มวลอะตอมเพิ่มข้ึนมากแต่ขนาดอะตอมเพ่ิมขึ้นเลก็ น้อย 24

25

2.3 จดุ เดอื ดและจุดหลอมเหลว การหลอมเหลว = การใชพ้ ลงั งานความรอ้ นแยก โมเลกุลที่จัดตัวเปน็ ระเบียบให้หา่ งจากกนั ให้ สามารถเคลอ่ื นที่ไปมาได้ การกลายเปน็ ไอ = เป็นการให้พลังงานความรอ้ น จนกระท่งั โมเลกลุ แยกจากกนั โดยเด็ดขาดใน สภาวะแก๊ส 26

แนวโนม้ ของจดุ เดือดและจดุ หลอมเหลวตามคาบ แสดงถงึ “การเปล่ยี นแปลงชนดิ ของพันธะและโครงสรา้ งของธาตุ” หมู่ IA หมู่ IVA Na Mg Al Si K Rb Cs ตา่ สงู 27

•Na Mg และ Al อะตอมยึดกนั ดว้ ยพนั ธะโลหะ จดุ หลอมเหลวเพิ่มข้นึ ตามพันธะท่แี ขง็ แรงขน้ึ Si อย่ใู นรูปโครงร่างตาขา่ ยท่ีแขง็ แรง(โครงสรา้ งคล้าย เพชร) จึงมีจดุ หลอมเหลวสูง 28

ธาตุแทรนซชิ นั มีอะตอมเช่อื มต่อกันด้วยพันธะโลหะ เปน็ ธาตทุ มี่ คี วามหนาแนน่ สูง เนือ่ งจากมมี วลมาก ขนาดเล็กและมพี นั ธะโลหะทแ่ี ข็งแรง *เปน็ กลมุ่ ทม่ี ีจดุ หลอมเหลวสงู ทส่ี ดุ * กลุ่มธาตุท่ีเป็นโครงรา่ งตาข่ายมีจุดหลอมเหลวรองลงมา 29

หมู่ VA หมู่ 0 PS Cl Ar Br Kr สงู I Xe ต่า ธาตทุ ี่มีโครงสรา้ งเปน็ โมเลกลุ เด่ียว ใช้ความรอ้ น ในการทาลายแรงแวนเดอร์วาลลซ์ ง่ึ อ่อน จดุ หลอมเหลวจงึ ต่า แต่สูงขึน้ เมอ่ื โมเลกุลใหญ่ขน้ึ 30

31

เลขออกซิเดชัน แสดงถึงค่าประจไุ ฟฟ้าสมมตขิ องไอออนหรอื อะตอมของธาตนุ ้นั กฎ เลขออกซเิ ดชัน 1. เลขออกซิเดชันของธาตุอสิ ระ 0 2. ผลรวมของเลขออกซิเดชันของธาตใุ นสูตรทไ่ี มม่ ปี ระจุ 0 3. ผลรวมของเลขออกซเิ ดชันของธาตใุ นสูตรที่มปี ระจุ ประจุ 4. เลขออกซิเดชันของฟลูออรีนในสตู รใดๆ -1 32

กฎ เลขออกซเิ ดชัน 5. เลขออกซิเดชันของโลหะอลั คาไลในสูตรใดๆ +1 6. เลขออกซเิ ดชันของโลหะอัลคาไลเอิร์ธในสตู รใดๆ +2 7. เลขออกซิเดชันของออกซิเจน (ยกเวน้ เปอรอ์ อกไซด์ = -1) -2 8. เลขออกซเิ ดชนั ของแฮโลเจนในโลหะเฮไลด์ -1 9. เลขออกซิเดชนั ของไฮโดรเจน (ยกเว้นในโลหะเฮไลด์ = -1) +1 33

3. แนวโน้มสมบตั ิทางเคมี 3.1 แนวโน้มของเลขออกซเิ ดชนั • ธาตใุ นหมู่แรกๆ มีเลขออกซเิ ดชนั เทา่ กบั เลขหมู่ เชน่ ธาตหุ มู่ IA มเี ลขออกซิเดชนั เปน็ +1 หมู่ IIA มี เลขออกซิเดชนั เปน็ +2 • ธาตหุ ม่อู น่ื ๆ มักมเี ลขออกซิเดชันไดม้ ากกวา่ 1 ค่า 34

Inert pair effect “ปรากฏการณ์แสดงแนวโนม้ เลขออกซิเดชันที่เสถียร ของธาตทุ ห่ี นักขน้ึ ในหมู่เดียวกนั มคี า่ ต่าลง” พบในโลหะกล่มุ p เชน่ หมู่ IIIA และธาตหุ นักหมู่ IVA มเี ลขออกซิเดชนั สองค่าที่หา่ งกัน 2 หนว่ ย ตามการจัด เวเลนต์ e- แบบ ns2 npx 35

เช่น หมู่ IIIA (ns2 np1) มเี ลขออกซิเดชันเปน็ +1 และ +3  เมื่อธาตุหนักขน้ึ เลขออกซเิ ดชันค่าตา่ จะเสถยี รขึ้น Al มีเพยี ง +3 In + 3 Tl มีท้งั +1, +3 แต่ +1 เสถียรกวา่ 36

ในโลหะทห่ี นกั ขึน้ คาดวา่ ระดบั พลังงานของ ns-orbital อยู่ ตา่ กวา่ np-orbital พอประมาณ  ดังน้นั เมอื่ e- ใน np-orbital หลุดออก e- ใน ns-orbital จะ ถูกดงึ แนน่ ขน้ึ ตามจานวนโปรตอนในนิวเคลยี สท่มี ีมาก การท่ี ns e- จะหลดุ ออกจึง ยากกวา่ ในธาตุเบาท่ีมจี านวน โปรตอนนอ้ ยกว่า + ++++ ++++ 37

เลขออกซิเดชันของอโลหะ  ถ้าปรากฏเป็นไอออนลบในสารประกอบไอออนกิ มกั มเี ลข ออกซิเดชนั คา่ เดยี ว คอื เท่ากับจานวน e- ทร่ี บั เข้ามาเมอ่ื ให้เป็นไปตามกฎออกเตต เชน่ Cl- , S2- , O2-  ถ้าเกิดสารประกอบโคเวเลนต์ อาจมีเลขออกซเิ ดชัน เปน็ + หรอื – ขึ้นอยกู่ บั ธาตุท่สี ร้างพนั ธะดว้ ย 38

สรุป  โลหะมักมเี ลขออกซเิ ดชันเปน็ + , อโลหะมีเลข ออกซเิ ดชนั ท้งั + และ –  เลขออกซิเดชันสูงสุดของธาตุเรพรเี ซนเตติฟสามารถมี ได้เท่ากับเลขหมขู่ องธาตุนน้ั เชน่ หมู่ VIIA เลข ออกซเิ ดชนั สงู สดุ คอื +7 39

3.2 ความวอ่ งไวและศกั ย์ไฟฟ้ามาตรฐาน  แนวโน้มการใหแ้ ละรบั อเิ ล็กตรอนของธาตนุ ้นั ๆ  ความสามารถในการเป็นตัวรดี ิวซ์หรอื ตวั ออกซิไดซ์ Na+ + e- Na E0 = -2.71 F2 + 2e- 2F- E0 = +2.87 Na F (ตวั ออกซิไดซ์ทแ่ี รง) Cs I Cs+ + e- Cs E0 = -2.95 I2 + 2e- 2I- E0 = +0.54 (ตวั รีดิวซท์ ่แี รง) 40

 แนวโนม้ เป็นไปตามค่า IE และ EN  จากคา่ IE โลหะเมอ่ื หนกั ขนึ้ ว่องไวมากขน้ึ เป็นตัว รีดวิ ซท์ ี่ดีขึ้น เพราะเสีย e- ไดง้ ่ายขึน้  จากค่า EN อโลหะเป็นตวั ออกซิไดซ์ ขนาดย่ิงเล็ก ยิ่งรบั อิเลก็ ตรอนไดด้ ี  กง่ึ โลหะค่อนขา้ งเฉ่ือยต่อปฏกิ ริ ิยาเพราะมีโครงสรา้ งเป็น โครงร่างตาข่ายทแ่ี ขง็ แรง 41

4. แนวโนม้ ความเปน็ กรด-เบสของสารประกอบ 4.1 ออกไซด์และไฮดรอกไซด์ M-O , M-OH  ออกไซด์ทเี่ ป็นกรดเมอ่ื ละลายน้าจะได้กรด  ออกไซด์ทเี่ ปน็ เบสเม่ือละลายนา้ จะได้เบสหรอื ทา ปฏกิ ิริยากบั กรดได้เกลือ  ไฮดรอกไซดเ์ ปน็ สารประกอบทีม่ ีหมู่ -OH 42

M-O ของธาตุดา้ นลา่ งมี พิจารณาจากผลตา่ งของคา่ อเิ ล็กโตรเนกาตวิ ิตี ความเป็นไอออนกิ มากขึ้น เปน็ โคเวเลนตม์ ากขนึ้ (ENเขา้ ใกล้ โคเวเลนต์ O) ไอออนกิ 43

เปน็ กรดมากขน้ึ Oδ- δH+ Hδ+ กรด Cs+ O2- เป็นเบส มากขึน้ Na+ O2- เบส δ+ δ- แอมโฟเทอริก NO คาบเดยี วกัน ผลต่างของ EN ระหวา่ ง M-O ลดลงจากซ้าย ไปขวา การเสยี Ö ยากข้นึ เปน็ เบสทอี่ อ่ นลง จนกระทัง่ กลายเปน็ กรด 44

ธาตุที่มเี ลขออกซเิ ดชันหลายค่า ความเปน็ กรดจะแรงขึ้น ตามลาดบั ของเลขออกซิเดชันจากต่าไปหาสงู +1 < HC+3lO2 < HC+5lO3 < +7 HOCl HClO4 H+2S4O3 < H2+S6O4 45

4.2 ไฮไดรด์ (Hydrides) สารประกอบระหว่างธาตหุ น่ึง (M) กับไฮโดรเจน  ไฮไดรด์ไอออนิก มีพันธะไอออนกิ ระหวา่ ง M+ และ H- โดย M คือ ธาตใุ นกลุ่ม s เกือบทง้ั หมด  ไฮไดรดเ์ มตาลิก ไม่มีสตู รโมเลกุลแนน่ อน เพราะเปน็ การแทรก ในผลึกโลหะของธาตุแทรนซชิ นั ไฮไดรดโ์ คเวเลนต์ พันธะโคเวเลนต์ระหว่างธาตุในกลมุ่ p กบั H 46

ความเป็นเบส (H-) ความเปน็ กรด (H+) กลุ่ม s กลมุ่ p ไฮไดรด์ไอออนกิ ไฮไดรดโ์ คเวเลนต์ 47

ความเป็นกรดของไฮไดรด์โคเวเลนต์ พจิ ารณาจากปจั จยั สาคัญ 3 ประการคือ • อิเลก็ โตรเนกาตวิ ติ ีของ M ยง่ิ สูงมาก H กลายเป็น H+ ได้งา่ ย • M เปน็ ธาตทุ ่ีหนักข้ึน ความแข็งแรงพนั ธะ M-H ลดลง • ถา้ โมเลกุลไฮไดรด์มีพันธะไฮโดรเจนมาก โอกาสท่ี H หลดุ เป็น H+ ย่ิงน้อยลง 48

ธาตุเรพรเี ซนเตตฟิ ธาตุท่มี เี วเลนตอ์ เิ ลก็ ตรอนบรรจใุ น s และ p-ออร์บทิ ัล โดยใน d และ f-ออร์บิทลั อาจไมม่ ีการบรรจุ e- เลย หรือ มกี ารบรรจุเตม็ หมด 49

กลุ่ม s ไดแ้ ก่ ธาตหุ มู่ 1 , 2 กลุ่ม p ไดแ้ ก่ ธาตหุ มู่ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18  ธาตุหมู่ 12 (Zn, Cd, Hg) จัดเรยี ง e- แบบ (n-1)d10ns2 ควร เป็นธาตเุ รพรเี ซนเตติฟ แต่สมบตั ิบางประการอยรู่ ะหวา่ ง ธาตุแทรนซิชันและธาตเุ รพรเี ซนเตตฟิ จงึ แยกพจิ ารณา 50