ธาตุ สารประกอบ และปฏิกิริยาเคมี

เนื้อหาที่จะต้องเรียนรู้ ความหมายของธาตุและสารประกอบ เสถียรภาพของอะตอมและการเกิดปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาเคมีในชีวิตประจำวัน สารเคมีในชีวิตประจำวัน

ธาตุ คืออะไร?

ธาตุ คืออะไร?

ธาตุ คืออะไร?

ธาตุ คืออะไร?

ความไม่เสถียรของธาตุ ภายใน “อะตอม” ของธาตุ ประกอบไปด้วยอนุภาคพื้นฐาน ๓ ชนิด คือ โปรตอน มีประจุไฟฟ้าเป็น บวก อิเล็กตรอน มีประจุไฟฟ้าเป็น ลบ นิวตรอน มีประจุไฟฟ้าเป็น กลาง (ไม่มีประจุไฟฟ้า)

ความไม่เสถียรของธาตุ นิวเคลียสไม่เสถียร (อัตราส่วนของโปรตอนกับนิวตรอนไม่สมดุลกัน) ทำให้ เกิดการ รวมตัวกันของนิวเคลียส (nuclear fusion) หรือเกิดการแตกสลายของ นิวเคลียส (nuclear fission) เมื่อจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุเดิม เปลี่ยนแปลงไป จะกลายเป็น ธาตุใหม่ ทันที อิเล็กตรอนที่วิ่งวนอยู่รอบนิวเคลียสไม่เสถียร (พลังงานรวมของอิเล็กตรอนไม่สมดุล) ทำ ให้ อะตอมนั้นๆต้องปลดปล่อยอิเล็กตรอนบางตัวออก หรือรับอิเล็กตรอนเข้ามาเพิ่ม แต่ ธาตุนั้นๆก็ยังคงเป็นธาตุเดิม แต่อาจอยู่รวมกันกับธาตุอื่นเกิดเป็นสารประกอบ

ความไม่เสถียรของธาตุ ธาตุหนึ่งๆ อาจไม่เสถียรในแง่ของนิวเคลียส หรือไม่เสถียรในแง่ของอิเล็กตรอน ก็ได้ หรือไม่เสถียรทั้งสองอย่างก็ได้ ซึ่งเราพิจารณาแยกกรณีกันไปแบบไม่เกี่ยวข้องกัน ธาตุที่นิวเคลียสไม่เสถียร จะเป็นธาตุกัมมันตรังสี (ปลดปล่อยรังสีบางชนิดออกมาจาก นิวเคลียส) และจะปลดปล่อยไม่หยุดจนกว่านิวเคลียสของธาตุจะเสถียร ธาตุที่พลังงานรวมของอิเล็กตรอนไม่เสถียร มักว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งจะ พยายามโอนถ่ายอิเล็กตรอนของตัวเองกับอะตอมอื่นๆ เพื่อทำให้ตัวเองเสถียร การโอน ถ่ายอิเล็กตรอนของธาตุนี้เอง ทำให้เกิด ปฏิกิริยาเคมี

การพิจารณาคุณสมบัติของธาตุ เมื่อกล่าวถึงคุณสมบัติของธาตุ มักหมายถึง คุณสมบัติทางกายภาพ (สถานะ สี ความแข็ง ความหนาแน่น สภาพการละลาย จุดเดือด จุด หลอมเหลว การนำไฟฟ้า ฯลฯ) ซึ่งใช้การสังเกต หรือเครื่องมือวัด ค่าได้ หรือคุณสมบัติทางเคมี (ความว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาเคมี ความสามารถในการให้หรือรับอิเล็กตรอน ฯลฯ) ซึ่งใช้การทดลอง ในห้องปฏิบัติการเป็นหลัก

สัญลักษณ์นิวเคลียร์ของธาตุ สัญลักษณ์นิวเคลียร์ คือสัญลักษณ์ที่บ่งบอกชนิดของธาตุ และจำนวนอนุภาคในนิวเคลียส (ซึ่งคือ โปรตอนกับนิวตรอน) กำหนดสัญลักษณ์นิวเคลียร์เป็นดังนี้ 𝑍 𝐴 𝑋 X คือ สัญลักษณ์ของธาตุ จะเป็นตัวที่บ่งบอกว่าธาตุนั้นๆคือธาตุอะไร A คือ จำนวนอนุภาคทั้งหมดในนิวเคลียส (ทั้งโปรตอนทั้งนิวตรอนรวมกัน) รวมเรียกว่า เลขมวล ของธาตุ Z คือ จำนวนโปรตอนของธาตุ เรียกว่า เลขอะตอม ของธาตุ สำหรับธาตุที่เป็นกลางทางไฟฟ้า (ไม่ได้มีสภาพเป็นไอออน) z จะแสดงจำนวนอิเล็กตรอนด้วย

ตารางธาตุ คืออะไร?

ตารางธาตุให้ข้อมูลอะไรเราบ้าง?

การเกิดสารประกอบและคุณสมบัติของสารประกอบ เมื่อระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอม มีความไม่เสถียร อะตอมจึงต้อง ปลดปล่อยอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่ง ออกไปจากอะตอม หรือ รับอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งเข้ามาในอะตอม เพื่อทำให้เกิดสมดุล ของระดับพลังงานในอะตอม

สภาพไอออนของอะตอมหรือโมเลกุล อะตอมใดๆ ก็ตาม ที่เสียอิเล็กตรอนออกไปจากอะตอม ทำให้อนุภาค โปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียส(ซึ่งมีประจุเป็นบวก) มีค่ามากกว่าอนุภาคอิเล็กตรอน ที่วิ่งวนอยู่รอบๆ อะตอมนั้นจะแสดงอำนาจไฟฟ้าบวก กลายสภาพเป็น ไอออน บวก (cation) อะตอมใดๆก็ตาม ที่รับอิเล็กตรอนเข้ามาในอะตอม ทำให้อนุภาคอิเล็กตรอน ที่อยู่รอบนิวเคลียส(ซึ่งมีประจุเป็นลบ) มีค่ามากกว่าอนุภาคโปรตอนใน นิวเคลียส อะตอมนั้นจะแสดงอำนาจไฟฟ้าลบ กลายสภาพเป็น ไอออนลบ (anion)

ความเป็นโลหะ-อโลหะ ของธาตุต่างๆในตารางธาตุ ธาตุที่เป็นโลหะ มีแนวโน้มที่จะ เสียอิเล็กตรอนออกไปจากอะตอม การ เสียอิเล็กตรอนออกไปจากอะตอมของโลหะนี้ ทำให้โลหะ มีเสถียรภาพมาก ขึ้น ธาตุที่เป็นอโลหะ มีแนวโน้มที่จะ รับอิเล็กตรอนเข้ามาในอะตอม การรับ อิเล็กตรอนเข้ามาในอะตอมของอโลหะ ทำให้อโลหะ มีเสถียรภาพมากขึ้น ส่วนธาตุที่มีคุณสมบัติเป็นกึ่งโลหะ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของมันในตารางธาตุ

การจับคู่กันของธาตุเพื่อเกิดเป็นสารประกอบ เมื่ออะตอมของโลหะของธาตุต่างชนิดกัน เคลื่อนที่มาอยู่ใกล้ชิดกัน มักไม่ทำ ปฏิกิริยาเคมีต่อกัน เพราะต่างฝ่ายต่างไม่ต้องการอิเล็กตรอนทั้งคู่ ดังนั้นใน ธรรมชาติ จึงไม่พบสารประกอบของธาตุที่เป็นโลหะกับโลหะด้วยกัน หากอะตอมของโลหะ เคลื่อนที่มาอยู่ใกล้ชิดกับอะตอมที่เป็นอโลหะ จะสามารถ เกิดปฏิกิริยาเคมี สร้างเป็นสารประกอบได้ เนื่องจากมีอะตอมหนึ่งที่เสีย อิเล็กตรอนและอีกอะตอมหนึ่งรับอิเล็กตรอนไป เกิดเป็น สารประกอบไอออ นิก หมายถึง สารประกอบที่เกิดจากไอออนบวกและไอออนลบอยู่ด้วยกัน

การจับคู่กันของธาตุเพื่อเกิดเป็นสารประกอบ ในกรณีของธาตุที่เป็น อโลหะทั้งคู่ ต่างฝ่ายต่างต้องการอิเล็กตรอน เข้ามาในอะตอม ดังนั้น จึงมีแนวโน้มในการใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน เพื่อรักษาเสถียรภาพของอะตอม เรียกสารประกอบประเภทนี้ว่า สารประกอบโคเวเลนต์

การจับคู่กันของธาตุเพื่อเกิดเป็นสารประกอบ

สัญลักษณ์ของธาตุ และสารประกอบ นักเรียนลองพิจารณาสัญลักษณ์ต่อไปนี้ ว่าข้อใดหมายถึงธาตุ ข้อใดหมายถึงสารประกอบ O2 O3 NO2 Na CO Co

ความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี ดังที่ได้กล่าวไปแล้วเบื้องต้น ว่าปฏิกิริยาเคมีเกิดจากการถ่ายโอน อิเล็กตรอนของอะตอม ดังนั้น เมื่อปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น จึงเป็นไปได้ ๓ รูปแบบ คือ รูปแบบที่หนึ่ง ธาตุ รวมตัวกันเกิดเป็นสารประกอบ (ปฏิกิริยารวมตัว) รูปแบบที่สอง สารประกอบสลายตัวออกเป็นธาตุ (ปฏิกิริยาแตกสลาย) รูปแบบที่สาม สารประกอบเกิดการสับเปลี่ยนคู่อะตอม เกิดเป็น สารประกอบใหม่ (ปฏิกิริยาแทนที่)

สิ่งที่สังเกตได้ว่ามีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น เมื่อมีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น จะมีสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิม ตัวอย่างเช่น มีสีแตกต่างไปจากเดิม มีกลิ่นแตกต่างไปจากเดิม มีรสแตกต่างไปจากเดิม สภาพการละลายเปลี่ยนไป เช่น จากละลายได้กลายเป็นเกิดตะกอน หรือจากมี ตะกอนกลายเป็นละลายได้ เป็นต้น มีฟองก๊าซเกิดขึ้น

สมการเคมี และการดุลสมการเคมี สมการเคมี มีลักษณะที่คล้ายกันกับสมการคณิตศาสตร์ คือ ต้องมีตัว ดำเนินการ (Operator) กระทำระหว่างตัวแปรในสมการ ตัว ดำเนินการในสมการเคมี มี ๒ รูปแบบคือ ตัวดำเนินการ → หมายถึงปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นจากซ้ายไปขวา ทางซ้ายของ ตัวดำเนินการ เรียกว่า สารตั้งต้น (reactant) หมายถึง สารก่อนการ เปลี่ยนแปลงทางเคมี ทางขวาของตัวดำเนินการ เรียกว่า ผลิตภัณฑ์ (product) หมายถึง สารหลังจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

สมการเคมี และการดุลสมการเคมี ตัวดำเนินการ ↔ หมายถึงปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นจากซ้ายไปขวา ขณะเดียวกันก็เกิดจากขวาไปซ้ายพร้อมๆกัน โดยที่ ในตอน เริ่มแรกจะเกิดจากซ้ายไปขวาก่อน แต่อย่างไรก็ดี สารที่อยู่ ทางซ้ายของตัวดำเนินการ ก็เรียกว่า สารตั้งต้น สารที่อยู่ ทางขวาของตัวดำเนินการ ก็เรียกว่า ผลิตภัณฑ์ เหมือนเดิม

สมการเคมี และการดุลสมการเคมี ส่วนตัวแปรในสมการเคมี คือสารต่างๆที่เกี่ยวข้องกับการเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งอาจเป็นธาตุหรือสารประกอบก็ได้ ตัวแปรแต่ละตัวจะเชื่อมด้วยเครื่องหมาย บวก (+) ถ้าเกิดขึ้นทางซ้ายของตัวดำเนินการ แสดงว่า สารที่บวกกัน ต้องทำ ปฏิกิริยากัน ถ้าเกิดขึ้นทางขวาของตัวดำเนินการ แสดงว่า สารที่บวกกัน อยู่ ร่วมกันในระบบเฉยๆ แต่จะขาดสารใดสารหนึ่งไปไม่ได้ ตัวอย่างสมการเคมี เช่น CH4(g)+O2(g)→CO2(g)+H2O(g)

สมการเคมี และการดุลสมการเคมี โดยปกติ สมการเคมีจะระบุสถานะของสารต่างๆที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา เคมีด้วย เพื่อให้นักเคมีได้เข้าใจถึงการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้น การ ระบุสถานะ มีดังต่อไปนี้ ก๊าซ (gas) ระบุย่อด้วยอักษร g ของเหลว (liquid) ระบุย่อด้วยอักษร l ของแข็ง (solid) ระบุย่อด้วยอักษร s สารที่ละลายอยู่ในน้ำ (aqueous) ระบุย่อด้วยอักษร aq

สมการเคมี และการดุลสมการเคมี หรือในบางครั้ง สมการเคมีจะระบุตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) เพื่อให้ทราบว่าปฏิกิริยานี้เกิดเองได้ยาก ตัวเร่งปฏิกิริยานิยมเขียนไว้ ด้านบนของตัวดำเนินการ เช่นสมการเคมีต่อไปนี้

การดุลสมการเคมี การดุลสมการเคมี เป็นการเติมตัวเลขที่เป็นจำนวนเต็ม หรือเศษส่วน (ไม่นิยมใช้) ลงหน้าสารต่างๆที่อยู่ในสมการเคมี เพื่อทำให้จำนวน อะตอมของธาตุที่อยู่ทางซ้ายของตัวดำเนินการ กับทางขวาของตัว ดำเนินการ มีจำนวนเท่ากัน

การดุลสมการเคมี

ระบบและการเปลี่ยนแปลงพลังงานของระบบ จะเห็นได้ว่า การเกิดปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องกับการถ่ายเทมวลสารและพลังงาน ระหว่าง ระบบ และ สิ่งแวดล้อม ระบบ คือ สิ่งที่เราสนใจศึกษาการเปลี่ยนแปลงของมัน เช่น หากเราต้องการศึกษา การเปลี่ยนสถานะของน้ำ น้ำคือระบบ ที่เหลือทั้งหมดคือ สิ่งแวดล้อม การเปลี่ยนแปลงพลังงานระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม หากมีการถ่ายโอนพลังงานเข้ามา ในระบบ เราเรียกว่า ระบบนั้นดูดความร้อน หากมีการถ่ายโอนพลังงานออกไปจากระบบ เราเรียกว่า ระบบนั้นคายความร้อน การเปลี่ยนแปลงมวลสารระหว่างระบบและสิ่งแวดล้อม หากถ่ายโอนมวลสารระหว่าง ระบบและสิ่งแวดล้อมไม่ได้เลย เราเรียกว่า ระบบปิด หากมีการถ่ายโอนมวลสารได้ เรา เรียกว่า ระบบเปิด และหากถ่ายโอนทั้งมวลสารและพลังงานแก่กันไมได้เลย เราเรียกว่า ระบบแยกตัว

ปฏิกิริยาเคมีในชีวิตประจำวัน ปฏิกิริยาของสารประกอบคาร์บอเนต สารประกอบคาร์บอเนต หมายถึง สารประกอบที่มีหมู่คาร์บอเนต (CO32-) อยู่ในสูตรสารประกอบ เช่น แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) หรือที่เรียกว่า หินปูน โซเดียมคาร์บอเนต (Na2CO3) หรือที่เรียกว่าโซดาแอซ เมื่อให้ความร้อนกับสารประกอบคาร์บอเนต จะสลายตัวให้ก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ กับสารประกอบออกไซด์

ปฏิกิริยาของสารประกอบคาร์บอเนต ตัวอย่างการสลายตัวของแคลเซียมคาร์บอเนต เมื่อถูกความร้อน

ปฏิกิริยาของสารประกอบคาร์บอเนต สารประกอบคาร์บอเนต เมื่อละลายน้ำมีฤทธิ์เป็นเบส สามารถทำ ปฏิกิริยากับกรด ได้เกลือของกรดนั้น โมเลกุลของน้ำ และก๊าซ คาร์บอนไดออกไซด์ ตัวอย่างปฏิกิริยาของแคลเซียมคาร์บอเนต กับกรดซัลฟิวริก

ฝนกรด และการกัดกร่อนโลหะ น้ำฝน (H2O) สามารถทำปฏิกิริยากับก๊าซบางชนิด เกิดเป็นฝน กรด (acid rain) ได้ ตัวอย่างก๊าซที่ทำให้เกิดฝนกรด ได้แก่ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ก๊าซซัลเฟอร์ไตร ออกไซด์ ก๊าซไนโตรเจนไดออกไซด์

ฝนกรด และการกัดกร่อนโลหะ

ฝนกรดและการกัดกร่อนโลหะ ก๊าซที่ทำให้เกิดฝนกรด มาจากไหน?

ฝนกรดและการกัดกร่อนโลหะ น้ำฝนที่เป็นกรด สามารถกัดกร่อนโลหะ หรือปูนปั้นที่เป็นสารจำพวก สารประกอบคาร์บอเนตได้ ในกรณีกัดกร่อนโลหะ ตัวอย่างเช่น กรด ซัลฟิวริก กัดกร่อนโลหะสังกะสี H2SO4(aq)+Zn(s)→ZnSO4(aq)+H2(g)

การเกิดสนิมของโลหะ โดยทั่วไป โลหะเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศที่มีความชื้น สูง จะเกิดเป็นสารประกอบออกไซด์ของโลหะ หรือที่เรียกว่าสนิม ตัวอย่างปฏิกิริยาการเกิดสนิมของเหล็ก 4Fe(s)+3O2(g) (with aqua)→2Fe2O3∙H2O(s)

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน สารประกอบไฮโดรคาร์บอน คือสารประกอบที่มีเฉพาะธาตุไฮโดรเจนและคาร์บอนอยู่ใน โมเลกุล ตัวอย่างเช่น ก๊าซมีเทน (CH4) ซึ่งเป็นก๊าซที่เกิดจากการหมักของซากพืชซาก สัตว์และผ่านการย่อยสลายบางส่วนโดยจุลินทรีย์ ก๊าซโพรเพน (C3H8) และก๊าซบิ วเทน (C4H10) ซึ่งเป็นก๊าซผสมที่เรียกว่า ก๊าซหุงต้ม ปฏิกิริยาการเผาไหม้ โดยทั่วไป หมายถึงการทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนที่อุณหภูมิสูง สารประกอบไฮโดรคาร์บอนเมื่อทำปฏิกิริยาเผาไหม้กับออกซิเจน ถ้าเผาไหม้แบบ สมบูรณ์ได้ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กับไอน้ำ ถ้าเผาไหม้แบบไม่สมบูรณ์จะได้เถ้า ก๊าซ คาร์บอนมอนอกไซด์ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ

ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน ตัวอย่างปฏิกิริยาการเผาไหม้แบบสมบูรณ์ของก๊าซโพรเพน กับ ออกซิเจน C3H8(g)+O2(g)→CO2(g)+H2O(g) ตัวอย่างปฏิกิริยาการเผาไหม้แบบไม่สมบูรณ์ของก๊าซโพรเพน กับ ออกซิเจน C3H8(g)+O2(g)→CO2(g)+H2O(g)+CO(g)+C(s)

ปฏิกิริยาของดอกไม้ไฟ