ธาตุและสารประกอบ

บทที่3 ธาตุและสารประกอบ

ตารางธาตุ (Periodic table of elements) คือ ตารางที่นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมธาตุต่างๆ ไว้เป็นหมวดหมู่ตามลักษณะ และคุณสมบัติที่เหมือนกัน เพื่อเป็นประโยชน์ในการศึกษา ในแต่ละส่วนของตารางธาตุ โดยคาบ (Period) เป็นการจัดแถวของธาตุแนวราบ ส่วนหมู่ (Group) เป็นการจัดแถวของธาตุในแนวดิ่ง ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

รหัสสีของธาตุกลุ่มต่างๆ
	หมู่โลหะอัลคาไล (Alkali Metal)		อโลหะ (Non-Metal)
	หมู่โลหะอัลคาไลเอิร์ธ (Alkali Earth Metal)		ก๊าซมีตระกูล (Noble Gas)
	หมู่โลหะแทรนซิชัน (Transition)		แลนทาไนด์ (Lanthanide)
	โลหะอ่อน		แอกทิไนด์ (Actinide)
	กึ่งโลหะ (Metalloid)

ภาพที่ 5 ตารางธาตุในปัจจุบัน

การจัดหมวดหมู่ในตารางธาตุ

          1. ธาตุหมู่หลัก หรือธาตุหมู่ A มีทั้งหมด 8 หมู่ (ตั้งแต่ I A-VIII A) 7 คาบ โดยธาตุที่อยู่ด้านซ้ายของเส้นขั้นบันได จะเป็นโลหะ (Metal) ส่วนทางด้านขวาเป็นอโลหะ (Non metal) ส่วนธาตุที่อยู่ติดกับเส้นขั้นบันไดนั้น จะเป็นกึ่งโลหะ (Metalloid)

          2. ธาตุทรานซิชัน หรือธาตุหมู่ B มีทั้งหมด 8 หมู่ (ตั้งแต่ I B-VIII B) แต่หมู่ 8 มีทั้งหมด 3 หมู่ย่อย จึงมีธาตุต่างๆ รวม 10 หมู่ และมีทั้งหมด 4 คาบ

          3. ธาตุอินเนอร์ทรานซิชัน มี 2 คาบโดยมีชื่อเฉพาะเรียกคาบแรกว่า คาบแลนทาไนด์
(Lanthanide series) และเรียกคาบที่สองว่า คาบแอกทิไนด์ (Actinide series) เพราะเป็นคาบที่อยู่ต่อมาจาก 57La (Lanthanum) และ 89Ac (Actinium) ตามลำดับ คาบละ 14 ตัวรวมเป็น 28 ตัว

สัญลักษณ์ของธาตุ ใช้เป็นสัญลักษณ์แทนธาตุ 1 อะตอม แต่เนื่องจากธาตุมีอยู่หลายชนิด จอห์น ดอลตัน (John Dallton ค.ศ. 1766-1844) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ จึงเสนอให้มีการใช้รูปภาพเป็นสัญลักษณ์แทนชื่อธาตุ เช่น

 ความหมายของธาตุและสารประกอบ

ธาตุ (Element) คือ สารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยธาตุหรือสารชนิดเดียว ไม่สามารถแยกหรือสลายออกเป็นสารอื่นได้ อนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุเรียกว่า อะตอม ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนวิ่งวนรอบนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอน และ นิวตรอน

ตารางธาตุ

ตารางธาตุ (Periodictable) คือ ตารางที่ใช้แสดงรายชื่อธาตุเคมีคิดค้นขึ้นโดยนักเคมีชาวรัสเซีย ดมีตรี เมนเดเลเยฟ (Dmitri Mendeleev) ในปี พ.ศ. 2412 จากการสังเกตว่าเมื่อนำธาตุที่รู้จักมาวางเรียงตามลำดับเลขอะตอมจะพบว่า คุณสมบัติพื้นฐานบางอย่างคล้ายกัน สามารถจำแนกเป็นกลุ่มๆ ได้ทำให้เกิดรูปแบบตารางธาตุ และพัฒนาต่อเนื่องมาจนเป็นอย่างที่เห็น ตารางธาตุเป็นส่วนหนึ่งในการเรียนการสอนวิชาเคมีด้วย

ประวัติศาสตร์ของตารางธาตุ

เริ่มต้นจาก จอห์น นิวแลนด์สได้พยายามเรียงธาตุตามมวลอะตอมแต่เขากลับทำให้ธาตุที่มีสมบัติ ต่างกันมาอยู่ในหมู่เดียวกันนักเคมีส่วนมากจึงไม่ยอมรับตารางธาตุของนิ วแลนด์ส ต่อมา ดมีตรี เมนเดเลเยฟ จึงได้พัฒนาโดยพยายามเรียงให้ธาตุที่มีสมบัติเหมือนกันอยู่ในหมู่เดียว กันและเว้นช่องว่างไว้สำหรับธาตุที่ยังไม่ค้นพบพร้อมกันนั้นเขายังได้ ทำนายสมบัติของธาตุใหม่ไว้ด้วย โดยใช้คำว่า เอคา (Eka) นำหน้าชื่อธาตุที่อยู่ด้านบนของธาตุที่ยังว่างอยู่นั้น เช่น เอคา-อะลูมิเนียม(ต่อมาคือธาตุแกลเลียม) เอคา-ซิลิคอน (ต่อมาคือธาตุเจอร์เมเนียม)แต่นักเคมีบางคนในยุคนั้นยังไม่แน่ใจเนื่อง จากว่าเขาได้สลับที่ธาตุบางธาตุโดยเอาธาตุที่มีมวลอะตอมมากกว่ามาไว้หน้า ธาตุที่มีมวลอะตอมน้อยกว่าดมีตรีได้อธิบายว่า เขาต้องการให้ธาตุที่มีสมบัติเดียวกันอยู่ในหมู่เดียวกันเมื่อดมีตรีสามารถ ทำนายสมบัติของธาตุได้อย่างแม่นยำและตารางธาตุของเขาไม่มีข้อน่า สงสัยตารางธาตุของดมีตรีก็ได้รับความนิยมจากนักเคมีในสมัยนั้นจนถึงยุค ปัจจุบัน

ชื่อธาตุแบ่งตามหมู่

• หมู่ 1A ลิเทียม (Lithium) โซเดียม (Sodium -Natrium) โพแทสเซียม (Potassium – Kalium) รูบิเดียม (Rubidium) ซีเซียม (Cesium) แฟรนเซียม(Francium)
• หมู่ 2Aเบริลเลียม (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)

ยกเว้นไฮโดรเจน เพราะยังถกเถียงกันอยู่ว่าจะจัดลงไปที่หมู่ 1 หรือ 7 ดี เพราะคุณสมบัติเป็นกึ่ง ๆ กัน ระหว่าง 1A กับ 7A และธาตุประเภททรานซิชัน

แหล่งกำเนิดของธาตุในจักรวาล

1. ไฮโดรเจนและฮีเลียมเกิดเริ่มแรกในจักรวาลหลังบิกแบง

2. ธาตุตัวที่ 3 คือลิเทียม ถึงตัวที่ 26 คือเหล็กเกิดจากภาวะอัดแน่นในดวงดาว

3. ธาตุตัวที่หนักกว่าเหล็กจนถึงยูเรเนียมเกิดจากดาวระเบิดหรือปรากฏการณ์ นิวเคลียร์ฟิวชั่นในดาวฤกษ์ (กรณีหลัง จะได้กัมมันตภาพรังสีเป็นส่วนมาก)

สารประกอบ (Compound) เป็นสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมกัน ด้วยแรงยึดเหนี่ยวทางเคมี เกิดเป็นสารชนิดใหม่ เรียกว่าสารประกอบ

ดังนั้นหน่วยย่อยของสารประกอบคือ โมเลกุล ซึ่งอาจแยกสลายได้เมื่อได้รับความร้อนหรือพลังงานไฟฟ้า สารประกอบที่พบในชีวิตประจำวัน เช่น น้ำ (H2O) เกลือแกง (NaCl) น้ำตาลทราย (C12H22O11) น้ำตาลกลูโคส (C6H12O6) เอทานอล (C2H5OH) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) หินปูน (CaCO3) ด่างทับทิม (KMnO4) เป็นต้น

วีดีโอประกอบ เรื่องธาตุและสารประกอบ

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

สารประกอบ

       สารประกอบ เป็นสารเคมีที่เกิดจากธาตุเคมีตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมารวมตัวกันโดย พันธะเคมีด้วยอัตราส่วนของส่วนประกอบที่แน่นอน ตัวอย่าง เช่น ไดไฮโรเจนโมน็อกไซด์ หรือ น้ำ มีสูตรเคมีคือ H₂Oซึ่งเป็นสารที่ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และ ออกซิเจน 1 อะตอม. ;)

ในสารประกอบอัตราส่วนของส่วนประกอบจะต้องคงที่และตัวชี้วัดความเป็นสารประกอบที่สำคัญคือ คุณสมบัติทางกายภาพ ซึ่งจะแตกต่างจาก ของผสม (mixture) หรือ อัลลอย (alloy) เช่น ทองเหลือง (brass) ซูเปอร์คอนดักเตอร์ YBCO, สารกึ่งตัวนำ อะลูมิเนียม แกลเลียม อาร์เซไนด์ (aluminium gallium arsenide) หรือ ช็อคโกแลต (chocolate) เพราะเราสามารถกำหนดอัตราส่วนของ ของผสมได้.

ตัวกำหนดคุณลักษณะเฉพาะของสารประกอบที่สำคัญคือ สูตรเคมี (chemical formula) ซึ่งจะแสดงอัตราส่วนของอะตอมในสารประกอบนั้น ๆ และจำนวนอะตอมในโมเลกุลเดียว เช่น สูตรเคมีของ อีทีน (ethene) จะเป็นC₂H₄ ไม่ใช่ไม่ใช่ไม่ใช่ไม่ใช่ CH₂) สูตรไม่ได้ระบุว่าสารประกอบประกอบด้วยโมเลกุล เช่น โซเดียมคลอไรด์ (เกลือแกง, NaCl) เป็น สารประกอบไอออนิก (ionic compound)