สมบัติธาตุตามตารางธาตุ

หัวข้อการเรียนรู้ 1.วิวัฒนาการของตารางธาตุ 2.สมบัติของธาตุตามหมู่และคาบ 3. เลขออกซิเดชัน (oxidation number) 4.สมบัติของสารประกอบของธาตุตามหมู่และคาบ 5.ตำแหน่งของไฮโดรเจนในตารางธาตุ

1.วิวัฒนาการของตารางธาตุ

ตารางธาตุในปัจจุบัน

2.สมบัติของธาตุตามหมู่และคาบ 2.1ขนาดอะตอม การหักเหของรังสีเอกซ์ (X-ray diffraction)

ขนาดอะตอมตามคาบ

ขนาดอะตอมตามหมู่

แนวโน้มขนาดอะตอมตามคาบและหมู่ แนวโน้มขนาดไอออนแตกต่างจากขนาดอะตอมหรือไม่อย่างไร

จงอธิบายเหตุผลของขนาดไอออนตามรูปต่อไปนี้

การเปรียบเทียบขนาดอะตอมกับไอออน ไอออนบวก จะมีขนาดเล็กลงเมื่อเทียบกับอะตอมเดิม เนื่องจากเมื่อเสียอิเล็กตรอนไประดับพลังงานลดลง ขนาดจึงเล็กลง ไอออนลบ จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเทียบกับอะตอมเดิม เนื่องจากรับอิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนลบ ทำให้แรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสลดลง ขนาดจึงใหญ่ขึ้น ขนาดอนุภาคของธาตุเดียวกัน ไอออนบวก < อะตอมที่เป็นกลาง < ไอออนลบ

2.2พลังงานไอออไนเซชั่น (Ionization energy, IE)

2.3สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (Electron affinity, EA)

2.4 อิเล็กโทรเนกาติวิตี (Electronegativity, EN)

ปัจจัยที่มีผลต่อค่า EN คือ

2.5 จุดเดือดและจุดหลอมเหลวของธาตุ แสดงแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคของสารถ้ามีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคสูงค่าจุดเดือดและจุดหลอมเหลวมีค่าสูง

สรุปแนวโน้มสมบัติต่าง ๆ ตามตารางธาตุ

3. เลขออกซิเดชัน (oxidation number) “เลขออกซิเดชันคือ จำนวนประจุสุทธิบนอะตอมนั้น ๆ” หลักการบอกค่าเลขออกซิเดชัน 1. อะตอมขของธาตุในสภาวะอิสระ มีเลขออกซิเดขันเท่ากับศูนย์เช่น Zn, Ag, H2, Cl2 2. อะตอมเดี่ยวที่เป็นไอออน มีค่าเลขออกซิเดชันเท่ากับจำนวนประจุของไอออนเช่น Al3+ มีเลขออกซิเดชัน +3, Cl- มีเลขออกซิเดชัน -1 3. เลขออกซิเดชันในสารประกอบของโลหะอัลคาไล (Li, Na, K) มีค่า +1 และโลหะอัลคาไลน์เอิร์ท (Be, Mg, Ca) มีค่า +2 4. O ในสารประกอบเช่น KClO3, H2O มีเลขออกซิเดชัน -2 *สารประกอบเปอร์ออกไซด์ เช่น Na2O2, H2O2, BaO2 มีเลขออกซิเดชัน -1 ยกเว้น *สารประกอบ OF2 มีเลขออกซิเดชัน +2 5. H ในสารประกอบมีเลขออกซิเดชัน +1 ยกเว้น *LiAlH4 และ NaBH4 มีเลขออกซิเดชัน -1 6. ผลรวมของเลขออกซิเดชันของอะตอมทั้งหมดในสูตรเคมี มีค่าเท่ากับประจุของสูตรนั้น ๆ เช่น MnO4- มีค่าผลรวมเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1

จงหาเลขออกซิเดชันของธาตุแต่ละชนิดจากสมการต่อไปนี้ 1) K2Cr2O7 + KBr + H2SO4 → Br2 + K2SO4+ Cr2(SO4)3+H2O 2) CrO42- + S2- → Cr(OH)3 + S 3) NO3- + Cu2O + H+ → Cu2+ + NO + H2O 4) Bi(OH)3 + MnO4- + OH- → BiO3-+ MnO2 5) SO32- + MnO4- + H+→ SO42- + Mn2+ +H2O 6) CrO42- + S2- + OH-→ Cr(OH)3 + S +H2O 7) Fe3+ + MnO4- + H+→ Mn2+ + Fe2+ +H2O 8) HCO3- + OH - → H2O + CO32- 9) V(OH)4+ + Cr2+ → VO2+ + Cr3+ 10) ClO-+ CrO2- → CrO42- + Cl- 11) VO2+ + MnO4- + H2O → VO2+ + Mn2+ + H+ 12) SO32- + MnO4- + H+ → SO42- + Mn2+ + H2O 13) MnO2++ Fe2+ + H+→ Fe3+ + Mn2+ +H2O 14) Cl2 + SO2 + H2O→ SO42- + Cl- + H+ 15) HCO3- + OH- → CO32-+H2O

ตารางแสดงเลขออกซิเดชันตามหมู่ต่าง ๆ

ไอออนที่ควรรู้จัก ไอออนที่เป็นกลุ่มอะตอม ชื่อ NH4+ แอมโมเนียมไอออน MnO4- เปอร์แมงกาเนตไอออน CN- ไซยาไนด์ไอออน Cr2O72- ไดโครเมตไอออน NO2- ไนไตรต์ไอออน CrO42- โครเมตไอออน NO3- ไนเตรตไอออน [Fe(CN)6]3- เฮกสะไซยาโนเฟอร์เรต(III)ไอออน HSO4- ไฮโดรเจนซัลเฟตไอออน AsO43- อาร์ซิเนตไอออน SO42- ซัลเฟตไอออน BO33- โบเรต SO32- ซัลไฟต์ไอออน B2O54− ไดโบเรต S2O32- ไทโอซัลเฟตไอออน ClO- ไฮโปคลอไรต์ไอออน H2PO4- ไดไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน ClO2- คลอไรต์ไอออน HPO42- ไฮโดรเจนฟอสเฟตไอออน ClO3- คลอเรตไอออน PO43- ฟอสเฟตไอออน ClO4- เปอร์คลอเรตไอออน HCO3- ไฮโดรเจนคาร์บอเนตไอออน OH- ไฮดรอกไซดด์ไอออน CO32- คาร์บอเนตไอออน

ความรู้เพิ่มเติม ค่า IE ของอิเล็กตรอนที่อยู่ต่างระดับพลังงานกันจะมีค่าแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด และค่า IE ของอิเล็กตรอนวงนอกสุดก็จะมีค่าน้อยกว่าอิเล็กตรอนที่อยู่วงในที่ใกล้นิวเคลียส

แบบฝึกหัดเสริม 1. A, B, C, D, E และ F เป็นธาตุที่อยู่ในหมู่เดียวกันเรียงลำดับจากบนลงล่าง จงทำนายสมบัติของธาตุดังต่อไปนี้ ธาตุใดควรมีขนาดอะตอมเล็กที่สุด เพราะว่าอะไร ธาตุใดควรมีค่า En สูงที่สุด เพราะว่าอะไร ธาตุ E ควรมีพลังงานไอออไนเซชันลำดับดับที่ 1 สูงหรือต่ำกว่าธาตุ F เพราะว่าอะไร 2. ธาตุ x, y, z เป็นธาตุที่อยู่ในหมู่ IA, IIA, VIIA ตามลำดับและอยู่ในคาบเดียวกัน จงทำนายสมบัติของธาตุดังต่อไปนี้ และให้เหตุผลประกอบด้วย IE EN EA 3. จงอธิบายว่าเหตุใด Mg จึงมีค่า IE1 มากกว่า IE1 ของ Al ซึ่งโดยปรกติค่า IE จะเพิ่มจากซ้ายไปขวา 4. ในสารประกอบหรือไอออนต่อไปนี้ธาตุใดมีเลขออกซิเดชันสูงที่สุด ClO4- NH4OH HNO3 H3PO4 S4O62-

ธาตุ M มีจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดเท่าไร เลขอะตอมของธาตุ M มีเท่าไร โจทย์เสริม ตัวอย่างที่ 1 กำหนดค่าพลังงานไอออไนเซชันทั้งหมด (MJ/mol) ของธาตุ M ดังนี้ 1.687, 3.381, 6.057, 8.414, 11.029, 15.171, 17.874, 92.047, 106.443 จงตอบคำถามต่อไปนี้ ธาตุ M มีจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดเท่าไร เลขอะตอมของธาตุ M มีเท่าไร ธาตุ M มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนอย่างไร

ตัวอย่างที่ 2 กำหนดกราฟของค่าพลังงานไอออไนเซชันกับลำดับที่ของพลังงานไอออไนเซชันของธาตุ A ดังนี้ จงตอบคำถามต่อไปนี้ ธาตุ A มีกี่ระดับพลังงานและมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเท่าไร ธาตุ A คือธาตุใดในตารางธาตุ

V2( SO4)3.3H2O Na4Fe(CN)6 [Cr(H2O)4]ClO4 K3[CrF6] [V(H2O)3]Cl3 ตัวอย่างที่ 3 จงหาเลขออกซิเดชันของธาตุทรานซิชันในสารประกอบต่อไปนี้ V2( SO4)3.3H2O Na4Fe(CN)6 [Cr(H2O)4]ClO4 K3[CrF6] [V(H2O)3]Cl3 [Co(NH3)4SO4]NO3 [Co(NH3)4Cl2]+ ตัวอย่างที่ 4 จงหาเลขออกซิเดชันของคาร์บอนในสารประกอบต่อไปนี้ CH3CH2COOCH3 CaCO3 C2H5COOH

4.สมบัติของสารประกอบของธาตุตามหมู่และคาบ ธาตุหมู่ IA (โลหะแอลคาไล)

สมบัติที่สำคัญของธาตุหมู่ IA 1. เป็นของแข็งที่อ่อน ใช้มีดตัดได้ นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี 2. เป็นโลหะที่ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยามาก 3. เมื่อรวมตัวกับอโลหะได้สารประกอบไอออนิก ซึ่งธาตุหมู่ IA มีเลขออกซิเดชันเท่ากับ +1 4. ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำหรือไอน้ำในอากาศ ให้ H2 และความร้อนจำนวนมาก จึงต้องเก็บไว้ในน้ำมัน

สารประกอบของธาตุหมู่ IA สารประกอบคาร์บอเนต (CO32- ) เช่น Na2CO3 K2CO3 สารประกอบซัลเฟต (SO42-) เช่น K2SO4 Na2SO4 สารประกอบคลอไรด์ (Cl-) เช่น LiCl NaCl ในธรรมชาติที่พบมากที่สุด ละลายน้ำได้ดี จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง สามารถนำไฟฟ้าได้เมื่อละลายน้ำ *ยกเว้นสารประกอบคาร์บอเนต และฟอสเฟต ของ Li จะละลายน้ำได้น้อย -------> Li2CO3, Li3PO4

ประโยชน์ของธาตุหมู่ IA 1. Cs (ซีเซียม) ใช้ทำโฟโตเซลล์ที่เปลี่ยนสัญญาณแสงไปเป็นสัญญาณไฟฟ้า เพราะ Cs สามารถเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าโลหะหมู่ IA ตัวอื่นๆ เช่น ที่ใช้ในเครื่องวัดความเข้มแสงในกล้องถ่ายรูป 2. ใช้ Na บรรจุในท่อโพลิเอทิลีน สำหรับใช้แทนสายเคเบิลอะลูมิเนียมหรือทองแดง เพราะเบากว่า ถูกกว่า และมีประสิทธิภาพดีกว่า 3. Na ใช้การเตรียมโซเดียมเปอร์ออกไซด์ซึ่งใช้ทำสารฟอกสี

ธาตุหมู่ IIA (โลหะแอลคาไลน์เอิร์ท)

สมบัติที่สำคัญของธาตุหมู่ IIA 4. ธาตุหมู่นี้สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำและสารอื่นได้หลายชนิด เนื่องจากเป็นธาตุที่ว่องไว และความว่องไวเพิ่มขึ้นเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น

สารประกอบของธาตุหมู่ IIA หมู่ IIA เป็นธาตุที่ว่องไวในการทำปฏิกิริยา สามารถรวมตัวกับอโลหะเกิดสารประกอบได้หลายชนิดในธรรมชาติ จึงไม่พบในรูปของธาตุอิสระ CaCO3, MgSO4, MgCl2, BaCl2 , CaHPO4 , Ba(NO3)2 ละลายน้ำได้ดี จุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง สามารถนำไฟฟ้าได้เมื่อละลายน้ำ สารประกอบของธาตุหมู่ IIA จะเป็นสารประกอบไอออนิก

ประโยชน์ของธาตุหมู่ IIA 1. Mg + Al ใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องบิน เพราะมีน้ำหนักเบา 2. Mg(OH)2 ใช้เป็นส่วนผสมในยาสีฟัน และใช้เป็นยาลดกรดในกระเพาะอาหาร 3. Sr(NO3)2ใช้ทำพลุ, ดอกไม้เพลิงสีแดง Ba(NO3)2ใช้ทำพลุ, ดอกไม้เพลิงสีเขียว

ธาตุหมู่ IIIA

สรุปสมบัติบางประการของโลหะหมู่ IA , IIA และ IIIA

ธาตุหมู่ IVA

คาร์บอน

ธาตุหมู่ VA

ธาตุหมู่ VIA

ธาตุหมู่ VIIA

สมบัติสำคัญที่ของธาตุหมู่ VIIA 1. ธาตุในหมู่นี้มีทั้ง 3 สถานะ ก๊าซ ของเหลว ของแข็ง

2. ธาตุแฮโลเจนทุกชนิดเป็นพิษ F2 เป็นแก๊สพิษอย่างแรง Cl2 เป็นแก๊สพิษมีกลิ่นฉุนจัด 3. ธาตุทุกตัวเป็นอโลหะ ไม่นำไฟฟ้าทุกสถานะ 4. โมเลกุลของธาตุแฮโลเจนประกอบด้วย 2 อะตอม (diatomic molecule) F2 Cl2 Br2 I2 5. มีจุดเดือด จุดหลอมเหลวต่ำ เพราะแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของธาตุแฮโลเจนเป็นแรงแวนเดอวาลส์ แรงแวนเดอวาลส์ เป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลที่ไม่มีขั้วกับไม่มีขั้ว แรงนี้มีค่าน้อย แต่จะมากขึ้นเมื่อสารมีมวลโมเลกุลเพิ่มขึ้น 6. ในหมู่เดียวกันความว่องไวในการทำปฏิกิริยาลดลงจากบนลงล่าง 7. มีเลขออกซิเดชันหลายค่า แต่ในสารประกอบส่วนใหญ่ธาตุแฮโลเจนมีเลขออกซิเดชันเท่ากับ -1

สารประกอบของธาตุหมู่ VIIA 1. สามารถเกิดได้ทั้งสารประกอบไอออนิกและสารประกอบโคเวเลนต์ สารประกอบไอออนิก สารประกอบโคเวเลนต์ 2. ธาตุหมู่ VIIA เกิดสารประกอบที่มีเลขออกซิเดชันได้หลายค่า 3. สารประกอบออกไซด์และสารประกอบซัลไฟด์ของธาตุหมู่ VIIA เมื่อละลายน้ำมีสมบัติเป็นกรด เช่น Cl2O Br2O

ประโยชน์ของธาตุหมู่ VIIA 1. ฟลูออรีนใช้เตรียมสารประกอบฟลูออโรคาร์บอน เช่น ฟรีออน ใช้ในเครื่องทำความเย็น, เทฟลอน (CF2=CF2) เคลือบภาชนะหุงต้ม 2. คลอรีนใช้ในการเตรียมสารต่างๆ เช่น ใช้ฆ่าเชื้อจุลินทรีย์ในสระว่ายน้ำ และในน้ำประปา NaOCl ใช้ในการฟอกสีกระดาษให้ขาว NaClO3 ใช้เป็นยากำจัดวัชพืช

3. โบรมีนใช้เตรียมสารประกอบเอทิลีนไดโบรไมด์ เติมในน้ำมันเพื่อหยุดการสะสมตะกั่วในเครื่องยนต์ 4. ไอโอดีนป้องกันโรคคอพอก ทิงเจอร์ไอโอดีน (ไอโอดีนละลายในเอทานอล) ใช้เป็นยาฆ่าเชื้อโรค

ธาตุหมู่ VIIIA ก๊าซเฉื่อยหรือก๊าซมีตระกูล

ก๊าซเฉื่อย (Inert gas) เป็นธาตุที่มีสถานะเป็นก๊าซ ในธรรมชาติจะไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่น 1 โมเลกุลมี 1 อะตอม (เป็นแก๊สอะตอมเดี่ยว) ประโยชน์ของก๊าซเฉื่อย 1. ก๊าซฮีเลียม (He) เป็นก๊าซที่มีมวลโมเลกุลน้อย ไม่ติดไฟจึงใช้บรรจุบอลลูนแทนก๊าซไฮโดรเจนและ ใช้ผสมกับก๊าซออกซิเจนในอัตราส่วน 4 ต่อ 1 โดยปริมาตร เพื่อใช้ในการหายใจสำหรับผู้ที่ลงไปทำงานในทะเลลึก

2. ก๊าซนีออน (Ne) ใช้บรรจุในหลอดไฟโฆษณาให้หลอดไฟสีแดงเข้ม 3. ก๊าซอาร์กอน (Ar) ใช้เป็นก๊าซบรรจุในหลอดไฟฟ้าเพื่อให้ไส้หลอดมีอายุการใช้งานนานมากขึ้น ใช้บรรจุในหลอดไฟโฆษณาเพื่อให้แสงสีม่วงสีน้ำเงิน 4. ก๊าซคริปทอน (Kr) ใช้ในหลอดไฟแฟลชสำหรับการถ่ายรูปด้วยความเร็วสูง 5. ซีนอน (Xe) เป็นก๊าซที่ช่วยให้สลบ แต่มีราคาแพงมาก 6. เรดอน (Rn) ใช้รักษาโรคมะเร็ง

สมบัติของสารประกอบคลอไรด์ของธาตุ สารประกอบคลอไรด์ของธาตุหมู่ IA IIA มีสมบัติเป็นกลาง ยกเว้น BeCl2 มีสมบัติเป็นกรด ส่วนสารประกอบคลอไรด์ของธาตุหมู่ IIIA ถึง VIIA มีสมบัติเป็นกรด

สมบัติของสารประกอบออกไซด์ของธาตุ สารประกอบออกไซด์ของธาตุหมู่ IA IIA ละลายน้ำได้สารละลายที่มีฤทธิ์เป็นเบส ยกเว้น BeO ไม่ละลายน้ำ สารประกอบออกไซด์ของธาตุหมู่ IIIA ถึง VIIA ละลายน้ำได้สารละลายที่มีฤทธิ์ เป็นกรด ยกเว้น Al2O3 และ SiO2 ไม่ละลายน้ำ

การละลายน้ำของสารประกอบธาตุหมู่ IA และ IIA

5.ตำแหน่งของไฮโดรเจนในตารางธาตุ ธาตุ H อาจมีลักษณะคล้ายกับธาตุในหมู่ IA และหมู่ VIIA ได้ด้วย ดังข้อเปรียบเทียบดังนี้คือ ดังนั้น จึงจัด H ไว้ต่างหาก คาบเกี่ยวระหว่าง หมู่ IA และหมู่ VIIA