ตารางธาตุ
| ส่วนหนึ่งของชุดบทความเกี่ยวกับ |
| ตารางธาตุ |
|---|
 |
|
ตารางธาตุหรือที่รู้จักกันในชื่อตารางธาตุของธาตุต่างๆคือการจัดเรียงธาตุทางเคมี อย่างเป็นระเบียบ ในแถว (" คาบ ") และคอลัมน์ (" หมู่ ") ตารางธาตุเป็นสัญลักษณ์สำคัญของวิชาเคมี และถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางใน วิชาฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์อื่นๆ มันแสดงให้เห็นถึงกฎของคาบซึ่งระบุว่าเมื่อจัดเรียงธาตุตามลำดับเลขอะตอม แล้ว คุณสมบัติของธาตุเหล่านั้น จะปรากฏซ้ำกัน โดยประมาณตารางธาตุแบ่งออกเป็นสี่ส่วนรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าโดยประมาณ เรียกว่าบล็อกธาตุในหมู่เดียวกันมักจะมีคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน
ตารางธาตุ มีลักษณะเด่นคือ แนวโน้มในแนวตั้ง แนวนอน และแนวทแยง คุณสมบัติ ของโลหะจะเพิ่มขึ้นเมื่อลงมาตามหมู่ และจากขวาไปซ้ายตามคาบ คุณสมบัติ ของอโลหะจะเพิ่มขึ้นเมื่อจากด้านล่างซ้ายของตารางธาตุไปยังด้านบนขวา
ตารางธาตุแรกที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางคือตารางธาตุของนักเคมีชาวรัสเซียดมิทรี เมนเดเลฟในปี 1869 เขาได้กำหนดกฎของธาตุขึ้นโดยแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสมบัติทางเคมีกับมวลอะตอมเนื่องจากในเวลานั้นยังไม่รู้จักธาตุทั้งหมด ตารางธาตุของเขาจึงมีช่องว่าง และเมนเดเลฟได้ใช้กฎของธาตุในการทำนายสมบัติบางอย่างของธาตุที่ขาดหายไป ได้สำเร็จ กฎของธาตุได้รับการยอมรับว่าเป็นสิ่งค้นพบที่สำคัญในปลายศตวรรษที่ 19 และได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในต้นศตวรรษที่ 20 ด้วยการค้นพบเลขอะตอมและงานบุกเบิกที่เกี่ยวข้องในกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งทั้งสองแนวคิดนี้ช่วยให้เข้าใจโครงสร้างภายในของอะตอมได้ดียิ่งขึ้น ตารางธาตุในรูปแบบที่ทันสมัยอย่างที่เรารู้จักกันดีนั้นเกิดขึ้นในปี 1945 จาก การค้นพบของ เกล็น ที. ซีบอร์กที่ว่าธาตุแอก ทินอยด์ นั้นแท้จริงแล้วเป็นธาตุในกลุ่ม f ไม่ใช่กลุ่ม d ตารางธาตุและกฎของธาตุได้กลายเป็นส่วนสำคัญและขาดไม่ได้ของวิชาเคมีสมัยใหม่
ตารางธาตุยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องตามความก้าวหน้าของวิทยาศาสตร์ ในธรรมชาติ มีเพียงธาตุที่มีเลขอะตอมไม่เกิน 94 เท่านั้น[ a ]ธาตุที่เกินกว่านั้นสามารถสังเคราะห์ได้ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น ภายในปี 2010 มีการค้นพบธาตุ 118 ธาตุแรก ซึ่งทำให้ครบเจ็ดแถวแรกของตาราง[ 1 ]อย่างไรก็ตาม ยังคงจำเป็นต้องมีการศึกษาลักษณะทางเคมีของธาตุหนักที่สุดเพื่อยืนยันว่าคุณสมบัติของธาตุเหล่านั้นตรงกับตำแหน่งของมัน การค้นพบใหม่ๆ จะขยายตารางออกไปเกินกว่าเจ็ดแถวนี้แม้ว่าจะยังไม่ทราบว่าจะมีธาตุอีกกี่ธาตุที่เป็นไปได้ นอกจากนี้ การคำนวณทางทฤษฎียังชี้ให้เห็นว่าบริเวณที่ไม่รู้จักนี้จะไม่เป็นไปตามรูปแบบของส่วนที่รู้จักของตาราง ยังคงมีการถกเถียงทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับว่าธาตุบางชนิดอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องในตารางหรือไม่ มี การแสดงกฎของตารางธาตุในรูปแบบ ต่างๆ มากมาย และมีการถกเถียงกันว่ามีรูปแบบตารางธาตุที่เหมาะสมที่สุดหรือไม่
โครงสร้าง
ธาตุเคมีแต่ละชนิดมีเลขอะตอมที่ไม่ซ้ำกัน ( Z — มาจาก "Zahl" ซึ่งเป็น ภาษาเยอรมันแปลว่า "เลข") ซึ่งแสดงถึงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส[ 4 ]ดังนั้น เลขอะตอมที่แตกต่างกันแต่ละเลขจึงสอดคล้องกับกลุ่มของอะตอม: กลุ่มเหล่านี้เรียกว่าธาตุเคมี[ 5 ]ธาตุเคมีเป็นสิ่งที่ตารางธาตุจัดประเภทและจัดระเบียบไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 1; ฮีเลียมเลขอะตอม 2; ลิเธียมเลขอะตอม 3; และอื่นๆ แต่ละชื่อเหล่านี้สามารถย่อเพิ่มเติมได้ด้วยสัญลักษณ์ทางเคมี หนึ่งหรือสองตัวอักษร สัญลักษณ์สำหรับไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเธียม คือ H, He และ Li ตามลำดับ[ 6 ]นิวตรอนไม่มีผลต่อเอกลักษณ์ทางเคมีของอะตอม แต่มีผลต่อน้ำหนักของอะตอม อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกันเรียกว่าไอโซโทปของธาตุเคมีเดียวกัน[ 6 ]ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมักพบเป็นส่วนผสมของไอโซโทปต่างๆ เนื่องจากไอโซโทปแต่ละชนิดมักเกิดขึ้นด้วยความอุดมสมบูรณ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะ ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติจึงมีน้ำหนักอะตอม ที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ซึ่งกำหนดเป็นมวลเฉลี่ยของอะตอมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของธาตุนั้น[ 7 ] ธาตุทุกชนิดมีไอโซโทปหลายชนิด ซึ่งเป็นรูปแบบที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่มีจำนวนนิวตรอน ต่างกัน ตัวอย่างเช่นคาร์บอนมีไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติสามชนิด อะตอมทั้งหมดของคาร์บอนมีโปรตอนหกตัวและส่วนใหญ่มีนิวตรอนหกตัวเช่นกัน แต่ประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์มีนิวตรอนเจ็ดตัว และเศษส่วนเล็กน้อยมากมีนิวตรอนแปดตัว ไอโซโทปจะไม่ถูกแยกออกจากกันในตารางธาตุ พวกมันจะถูกจัดกลุ่มไว้ด้วยกันภายใต้ธาตุเดียวเสมอ เมื่อแสดงมวลอะตอม มักจะเป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ แต่ถ้าไม่มีไอโซโทปเกิดขึ้นตามธรรมชาติในปริมาณที่สำคัญ มวลของไอโซโทปที่เสถียรที่สุดมักจะปรากฏขึ้น โดยมักจะอยู่ในวงเล็บ[ 8 ]
ในตารางธาตุมาตรฐาน ธาตุต่างๆ จะถูกเรียงลำดับตามเลขอะตอมที่เพิ่มขึ้น แถวใหม่ ( คาบ ) จะเริ่มต้นเมื่อเปลือกอิเล็กตรอนใหม่มีอิเล็กตรอน ตัวแรก คอลัมน์ ( หมู่ ) จะถูกกำหนดโดยการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอม ธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันในซับเชลล์เฉพาะจะอยู่ในคอลัมน์เดียวกัน (เช่นออกซิเจนซัลเฟอร์และซีลีเนียมอยู่ในคอลัมน์เดียวกันเพราะพวกมันมีอิเล็กตรอนสี่ตัวในซับเชลล์ p นอกสุด) ธาตุที่มีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายกันโดยทั่วไปจะอยู่ในหมู่เดียวกันในตารางธาตุ แม้ว่าในบล็อก f และในบล็อก d บางส่วน ธาตุในคาบเดียวกันก็มักจะมีคุณสมบัติคล้ายกันเช่นกัน ดังนั้น การทำนายคุณสมบัติทางเคมีของธาตุจึงค่อนข้างง่ายหากเรารู้คุณสมบัติของธาตุรอบข้าง[ 9 ]
ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันว่ามีธาตุ 118 ชนิด โดย 94 ชนิดแรกนั้นพบได้ตามธรรมชาติบนโลก[ 10 ] [ a ] ธาตุ ที่เหลืออีก 24 ชนิด ได้แก่อเมริเซียมถึงโอแกเนสซอน (95–118) พบได้เฉพาะเมื่อสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการเท่านั้น ในบรรดาธาตุ 94 ชนิดที่พบได้ตามธรรมชาติ มี 83 ชนิดเป็นธาตุดั้งเดิมและ 11 ชนิดพบได้เฉพาะในห่วงโซ่การสลายตัวของธาตุดั้งเดิม ธาตุบางชนิดในกลุ่มหลังนี้หายากมากจนไม่ถูกค้นพบในธรรมชาติ แต่ถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการก่อนที่จะมีการระบุว่ามีอยู่จริงในธรรมชาติ ได้แก่เทคนีเซียม (ธาตุ 43) โพรมีเทียม (ธาตุ 61) แอสตาไทน์ (ธาตุ 85) เนปทูเนียม (ธาตุ 93) และพลูโทเนียม (ธาตุ 94) [ 12 ]ไม่เคยมีธาตุใดหนักกว่าไอน์สไตเนียม (ธาตุ 99) ที่ถูกสังเกตพบในปริมาณมหภาคในรูปบริสุทธิ์ และแอสตาไทน์ก็เช่นกันแฟรนเซียม (ธาตุที่ 87) ถูกถ่ายภาพได้เฉพาะในรูปของแสงที่ปล่อยออกมาจากปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น[ 14 ]จากธาตุธรรมชาติ 94 ธาตุ มี 80 ธาตุที่มีไอโซโทปเสถียร และอีกหนึ่งธาตุ ( บิสมัท ) มีไอโซโทปที่เกือบเสถียร (มีครึ่งชีวิต 2.01×10 19 ปี ซึ่งมากกว่า อายุของจักรวาล ถึงพันล้านเท่า) [ 15 ] [ b ]อีกสองธาตุ คือธอร์เรียมและยูเรเนียมมีไอโซโทปที่เกิดการสลายตัวทางกัมมันตรังสีโดยมีครึ่งชีวิตเทียบเท่ากับอายุของโลกธาตุเสถียรบวกกับบิสมัท ธอร์เรียม และยูเรเนียม ประกอบกันเป็นธาตุดั้งเดิม 83 ธาตุที่รอดพ้นจากการก่อตัวของโลก[ c ]ธาตุธรรมชาติที่เหลืออีก 11 ธาตุสลายตัวเร็วพอที่การปรากฏของธาตุเหล่านี้อย่างต่อเนื่องจะขึ้นอยู่กับการถูกสร้างขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่องในฐานะผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของการสลายตัวของธอร์เรียมและยูเรเนียมเป็นหลัก[ d ] ธาตุ สังเคราะห์ที่รู้จักทั้งหมด 24 ธาตุเป็นธาตุกัมมันตรังสี[ 6 ]
ชื่อและหมายเลขกลุ่ม
ตามหลักการตั้งชื่อสากล กลุ่มต่างๆ จะถูกกำหนดหมายเลขตั้งแต่ 1 ถึง 18 จากคอลัมน์ซ้ายสุด (โลหะอัลคาไล) ไปจนถึงคอลัมน์ขวาสุด (ก๊าซเฉื่อย) กลุ่ม f-block จะถูกละเว้นในการกำหนดหมายเลขนี้[ 22 ]กลุ่มต่างๆ ยังสามารถตั้งชื่อตามธาตุตัวแรกได้ เช่น "กลุ่มสแกนเดียม" สำหรับกลุ่มที่ 3 [ 22 ]ก่อนหน้านี้ กลุ่มต่างๆ เป็นที่รู้จักกันในชื่อเลขโรมันในสหรัฐอเมริกา เลขโรมันจะตามด้วย "A" (ถ้ากลุ่มอยู่ในs-หรือp-block ) หรือ "B" (ถ้ากลุ่มอยู่ในd-block ) เลขโรมันที่ใช้จะสอดคล้องกับหลักสุดท้ายของหลักการตั้งชื่อในปัจจุบัน (เช่นธาตุกลุ่มที่ 4คือกลุ่ม IVB และธาตุกลุ่มที่ 14คือกลุ่ม IVA) ในยุโรป "A" ใช้สำหรับกลุ่มที่ 1 ถึง 7 และ "B" ใช้สำหรับกลุ่มที่ 11 ถึง 17 นอกจากนี้ กลุ่มที่ 8, 9 และ 10 เคยถูกพิจารณาว่าเป็นกลุ่มขนาดสามเท่ากลุ่มเดียว ซึ่งรู้จักกันโดยรวมในทั้งสองระบบการเขียนว่ากลุ่มที่ VIII ในปี 1988 ระบบการตั้งชื่อใหม่ของIUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) (1–18) ได้ถูกนำมาใช้ และชื่อกลุ่มเก่า (I–VIII) ก็ถูกยกเลิก[ 23 ]
แบบฟอร์มการนำเสนอ
ด้วยเหตุผลเรื่องพื้นที่[ 30 ] [ 31 ]ตารางธาตุจึงมักแสดงโดยตัดธาตุ f-block ออกและจัดวางเป็นส่วนที่แยกออกมาต่างหากด้านล่างของตัวตารางหลัก[ 32 ] [ 30 ] [ 23 ]ซึ่งจะลดจำนวนคอลัมน์ของธาตุจาก 32 เหลือ 18 [ 30 ]
ทั้งสองรูปแบบแสดงถึงตารางธาตุเดียวกัน[ 6 ]รูปแบบที่มีบล็อก f รวมอยู่ในส่วนหลักบางครั้งเรียกว่ารูปแบบ 32 คอลัมน์[ 6 ]หรือรูปแบบยาว[ 33 ]รูปแบบที่ตัดบล็อก f ออกเรียกว่ารูปแบบ 18 คอลัมน์[ 6 ]หรือรูปแบบยาวปานกลาง[ 33 ]รูปแบบ 32 คอลัมน์มีข้อดีคือแสดงธาตุทั้งหมดตามลำดับที่ถูกต้อง แต่มีข้อเสียคือต้องใช้พื้นที่มากกว่า[ 34 ]รูปแบบที่เลือกเป็นทางเลือกของบรรณาธิการ และไม่ได้หมายความถึงการเปลี่ยนแปลงข้ออ้างหรือข้อความทางวิทยาศาสตร์ใดๆ ตัวอย่างเช่น เมื่อกล่าวถึงองค์ประกอบของหมู่ 3ตัวเลือกต่างๆ สามารถแสดงได้อย่างเท่าเทียมกัน (ไม่ลำเอียง) ในทั้งสองรูปแบบ[ 35 ]
ตารางธาตุมักจะแสดงสัญลักษณ์ของธาตุอย่างน้อยที่สุด และหลายตารางยังให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับธาตุด้วย ไม่ว่าจะเป็นการใช้รหัสสีหรือข้อมูลในช่องต่างๆ ตารางอาจรวมถึงข้อมูลเพิ่มเติม เช่น ชื่อและเลขอะตอมของธาตุ กลุ่มธาตุ การพบในธรรมชาติน้ำหนักอะตอมมาตรฐานสถานะของสสาร จุดหลอมเหลวและจุดเดือด ความหนาแน่น ตลอดจนการจัดประเภทต่างๆ ของธาตุ[ e ]
การจัดเรียงอิเล็กตรอน
ตารางธาตุเป็นคำอธิบายเชิงกราฟิกของกฎคาบ[ 36 ]ซึ่งระบุว่าคุณสมบัติและโครงสร้างอะตอมของธาตุเคมีเป็นฟังก์ชันคาบของเลขอะตอม[ 37 ]ธาตุต่างๆ ถูกจัดวางในตารางธาตุตามการจัดเรียงอิเล็กตรอน [ 38 ]ซึ่งการเกิดซ้ำเป็นคาบจะอธิบายแนวโน้มของคุณสมบัติในตารางธาตุ[ 39 ]
อิเล็กตรอนสามารถคิดได้ว่าอาศัยอยู่ในออร์บิทัลอะตอมซึ่งบ่งบอกถึงความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะพบได้ในบริเวณใดบริเวณหนึ่งรอบอะตอม พลังงานของอิเล็กตรอนมีค่าเป็นควอนตัม กล่าวคือ อิเล็กตรอนจะมีค่าเป็นจำนวนเต็มเท่านั้น นอกจากนี้ อิเล็กตรอนยังปฏิบัติตามหลักการกีดกันของเปาลีกล่าวคือ อิเล็กตรอนที่แตกต่างกันจะต้องอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันเสมอ หลักการนี้ทำให้สามารถจำแนกสถานะที่เป็นไปได้ของอิเล็กตรอนออกเป็นระดับพลังงานต่างๆ ที่เรียกว่าเชลล์ ซึ่งแบ่งออกเป็นซับเชลล์ย่อยแต่ละซับเชลล์ โดยแต่ละซับเชลล์ย่อยจะมีออร์บิทัลหนึ่งหรือมากกว่านั้น ออร์บิทัลแต่ละอันสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว โดยอิเล็กตรอนจะแตกต่างกันด้วยปริมาณที่เรียกว่าสปินซึ่งโดยทั่วไปจะใช้สัญลักษณ์ "ขึ้น" หรือ "ลง" [ 40 ] [ f ]ในอะตอมเย็น (อะตอมที่อยู่ในสถานะพื้นฐาน) อิเล็กตรอนจะจัดเรียงตัวเองในลักษณะที่พลังงานรวมของอิเล็กตรอนจะลดลงเหลือน้อยที่สุดโดยการครอบครองออร์บิทัลที่มีพลังงานต่ำที่สุดที่มีอยู่[ 42 ]มีเพียงอิเล็กตรอนวงนอกสุด ( อิเล็กตรอนวาเลนซ์ ) เท่านั้นที่มีพลังงานเพียงพอที่จะหลุดออกจากนิวเคลียสและมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีกับอะตอมอื่น ๆ อิเล็กตรอนอื่น ๆ เรียกว่าอิเล็กตรอนแกนกลาง[ 43 ]
| ℓ = | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ความจุของเปลือก (2 n 2 ) [ 44 ] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| วงโคจร | ส | พี | ง | เอฟ | จี | ชม. | ฉัน | |
| n = 1 | 1 วินาที | 2 | ||||||
| n = 2 | 2 วินาที | 2p | 8 | |||||
| n = 3 | 3 วินาที | 3p | 3 มิติ | 18 | ||||
| n = 4 | 4 วินาที | 4 โมงเย็น | 4d | 4f | 32 | |||
| n = 5 | 5 วินาที | 5 เพนนี | 5d | 5 ฟุต | 5 กรัม | 50 | ||
| n = 6 | 6 วินาที | 6 โมงเย็น | 6d | 6f | 6 กรัม | 6 ชั่วโมง | 72 | |
| n = 7 | 7s | 7 โมงเย็น | 7d | 7f | 7 กรัม | 7 ชั่วโมง | 7i | 98 |
| ความจุของเปลือกหุ้มย่อย (4 ลิตร + 2) | 2 | 6 | 10 | 14 | 18 | 22 | 26 | |
ธาตุต่างๆ เป็นที่รู้จักกันว่ามีอิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรชั้นนอกสุดถึงเจ็ดชั้น วงโคจรชั้นแรกมีเพียงวงโคจรเดียว คือวงโคจร s ทรงกลม เนื่องจากอยู่ในวงโคจรชั้นแรก จึงเรียกว่าวงโคจร 1s ซึ่งสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัว วงโคจรชั้นที่สองก็มีวงโคจร 2s เช่นกัน และยังมีวงโคจร 2p รูปทรงดัมเบลอีกสามวง จึงสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุดแปดตัว (2×1 + 2×3 = 8) เปลือกที่สามประกอบด้วยออร์บิทัล 3s หนึ่งตัว ออร์บิทัล 3p สามตัว และออร์บิทัล 3d ห้าตัว ดังนั้นจึงมีความจุ 2×1 + 2×3 + 2×5 = 18 เปลือกที่สี่ประกอบด้วยออร์บิทัล 4s หนึ่งตัว ออร์บิทัล 4p สามตัว ออร์บิทัล 4d ห้าตัว และออร์บิทัล 4f เจ็ดตัว ดังนั้นจึงมีความจุ 2×1 + 2×3 + 2×5 + 2×7 = 32 [ 30 ]เปลือกที่สูงกว่าจะมีออร์บิทัลหลายประเภทมากขึ้นซึ่งยังคงรูปแบบเดิม แต่ประเภทของออร์บิทัลดังกล่าวจะไม่ถูกเติมเต็มในสถานะพื้นฐานของธาตุที่รู้จัก[ 45 ]ประเภทของซับเชลล์มีลักษณะเฉพาะด้วยเลขควอนตัม ตัวเลขสี่ตัวอธิบายวงโคจรในอะตอมได้อย่างสมบูรณ์ ได้แก่เลขควอนตัมหลักnเลขควอนตัมอะซิมาทัล ℓ (ประเภทวงโคจร) เลขควอนตัมแม่เหล็กวงโคจรm และ เลขควอน ตัมแม่เหล็กสปินm [ 39 ]
ลำดับการเติมซับเชลล์
ลำดับการเติมซับเชลล์ส่วนใหญ่กำหนดโดยหลักการ Aufbauหรือที่รู้จักกันในชื่อกฎ Madelung หรือ Klechkovsky (ตั้งชื่อตามErwin MadelungและVsevolod Klechkovskyตามลำดับ) กฎนี้ได้รับการสังเกตเชิงประจักษ์ครั้งแรกโดย Madelung และ Klechkovsky และผู้เขียนในภายหลังได้ให้เหตุผลทางทฤษฎี[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ g ]เชลล์มีพลังงานทับซ้อนกัน และกฎ Madelung ระบุลำดับการเติมตาม: [ 47 ]
- 1s ≪ 2s < 2p ≪ 3s < 3p ≪ 4s < 3d < 4p ≪ 5s < 4d < 5p ≪ 6s < 4f < 5d < 6p ≪ 7s < 5f < 6d < 7p ≪ ...
ในที่นี้ เครื่องหมาย ≪ หมายถึง "น้อยกว่ามาก" ตรงข้ามกับ < ที่หมายถึง "น้อยกว่า" เฉยๆ[ 47 ]กล่าวอีกนัยหนึ่ง อิเล็กตรอนจะเข้าสู่ออร์บิทัลตามลำดับn + ℓ ที่เพิ่มขึ้น และหากมีออร์บิทัลสองอันที่มีค่าn + ℓ เท่ากัน ออร์บิทัลที่มีค่าn ต่ำกว่า จะถูกครอบครองก่อน[ 45 ] [ 49 ]โดยทั่วไป ออร์บิทัลที่มีค่าn + ℓ เท่ากันจะมีพลังงานใกล้เคียงกัน แต่ในกรณีของออร์บิทัล s (ที่มี ℓ = 0) ผลกระทบทางควอนตัมจะเพิ่มพลังงานของพวกมันให้เข้าใกล้พลังงานของ กลุ่ม n + ℓ ถัดไป ดังนั้น ตารางธาตุจึงมักถูกวาดขึ้นโดยเริ่มต้นแต่ละแถว (มักเรียกว่าคาบ) ด้วยการเติมออร์บิทัล s ใหม่ ซึ่งสอดคล้องกับการเริ่มต้นของเปลือกใหม่[ 47 ] [ 48 ] [ 30 ]ดังนั้น ยกเว้นแถวแรก ความยาวของแต่ละช่วงจะปรากฏสองครั้ง: [ 47 ]
- 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32, ...
การทับซ้อนจะใกล้เคียงกันมาก ณ จุดที่ออร์บิทัล d เข้ามาเกี่ยวข้อง[ 50 ]และลำดับสามารถเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามเลขอะตอม[ 51 ]และประจุอะตอม[ 52 ] [ h ]
เริ่มต้นจากอะตอมที่ง่ายที่สุด วิธีนี้ช่วยให้เราสร้างตารางธาตุทีละตัวตามลำดับเลขอะตอม โดยพิจารณากรณีของอะตอมเดี่ยว ในไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ซึ่งต้องอยู่ในออร์บิทัลพลังงานต่ำสุด 1s การจัดเรียงอิเล็กตรอน นี้ เขียนว่า 1s 1โดยที่ตัวยกแสดงจำนวนอิเล็กตรอนในซับเชลล์ฮีเลียมเพิ่มอิเล็กตรอนตัวที่สอง ซึ่งเข้าไปอยู่ใน 1s เช่นกัน ทำให้เชลล์แรกเต็มและได้การจัดเรียง1s 2 [ 39 ] [ 58 ] [ i ]
เริ่มจากธาตุที่สามคือลิเธียมเปลือกอิเล็กตรอนชั้นแรกเต็มแล้ว ดังนั้นอิเล็กตรอนตัวที่สามจึงอยู่ในออร์บิทัล 2s ทำให้มีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s¹อิเล็กตรอน2sเป็นอิเล็กตรอนวาเลนซ์ตัวเดียวของลิเธียม เนื่องจากซับเชลล์ 1s ยึดติดกับนิวเคลียสแน่นเกินไปที่จะมีส่วนร่วมในการสร้างพันธะเคมีกับอะตอมอื่น เปลือกอิเล็กตรอนแบบนี้เรียกว่า " เปลือกแกนกลาง " ซับเชลล์ 1s เป็นเปลือกแกนกลางสำหรับธาตุทั้งหมดตั้งแต่ลิเธียมเป็นต้นไป ซับเชลล์ 2s จะสมบูรณ์โดยธาตุถัดไปคือเบริลเลียม (1s² 2s² ) จากนั้นธาตุถัดไปจะดำเนินการเติมซับเชลล์ 2p โบรอน (1s² 2s² 2p¹ ) จะวางอิเล็กตรอนตัวใหม่ลงในออร์บิทัล 2p คาร์บอน (1s² 2s² 2p² )จะเติมออร์บิทัล 2p ตัวที่สองและด้วยไนโตรเจน (1s 2 2s 2 2p 3 ) ออร์บิทัล 2p ทั้งสามจะถูกครอบครองเพียงอิเล็กตรอนเดียว ซึ่งสอดคล้องกับกฎของฮุนด์ที่ระบุว่าอะตอมมักจะชอบครอบครองออร์บิทัลประเภทเดียวกันเพียงอิเล็กตรอนเดียวก่อนที่จะเติมอิเล็กตรอนตัวที่สองออกซิเจน (1s 2 2s 2 2p 4 ) ฟลูออรีน (1s 2 2s 2 2p 5 ) และนีออน (1s 2 2s 2 2p 6 ) จะเติมเต็มออร์บิทัล 2p ที่ถูกครอบครองเพียงอิเล็กตรอนเดียวอยู่แล้ว โดยตัวสุดท้ายจะเติมเต็มเปลือกที่สองอย่างสมบูรณ์[ 39 ] [ 58 ]
เริ่มจากธาตุที่ 11 คือโซเดียมเปลือกอิเล็กตรอนที่สองเต็มแล้ว ทำให้เปลือกอิเล็กตรอนที่สองเป็นเปลือกแกนกลางสำหรับธาตุนี้และธาตุที่หนักกว่าทั้งหมด อิเล็กตรอนตัวที่สิบเอ็ดเริ่มเติมเต็มเปลือกอิเล็กตรอนที่สามโดยเข้าไปอยู่ในออร์บิทัล 3s ทำให้โซเดียมมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเป็น 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ โครงสร้างนี้ย่อเป็น[Ne] 3s¹โดยที่ [Ne] แทนโครงสร้างของนีออนแมกนีเซียม ([Ne] 3s² ) เติมเต็มออร์บิทัล 3s นี้ และธาตุอีกหกธาตุถัดไปคืออะลูมิเนียมซิลิคอนฟอสฟอรัสซัลเฟอร์คลอรีนและอาร์กอนจะเติม เต็มออ ร์ บิทัล 3p ทั้งสาม ([Ne] 3s² 3p¹ถึง[Ne ] 3s² 3p⁶ ) [ 39 ] [ 58 ]สิ่งนี้สร้างอนุกรมที่คล้ายคลึงกันซึ่งโครงสร้างเปลือกนอกของโซเดียมถึงอาร์กอนนั้นคล้ายคลึงกับโครงสร้างของลิเธียมถึงนีออน และเป็นพื้นฐานสำหรับความเป็นคาบของสมบัติทางเคมีที่ตารางธาตุแสดงให้เห็น: [ 39 ]ที่ช่วงเลขอะตอมที่สม่ำเสมอแต่เปลี่ยนแปลง สมบัติของธาตุทางเคมีจะซ้ำกันโดยประมาณ[ 36 ]
ดังนั้น ธาตุ 18 ธาตุแรกจึงสามารถจัดเรียงเป็นจุดเริ่มต้นของตารางธาตุได้ ธาตุในคอลัมน์เดียวกันจะมีจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์เท่ากันและมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่คล้ายคลึงกัน คอลัมน์เหล่านี้เรียกว่าหมู่ ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือฮีเลียม ซึ่งมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สองตัวเช่นเดียวกับเบริลเลียมและแมกนีเซียม แต่โดยทั่วไปจะถูกวางไว้ในคอลัมน์ของนีออนและอาร์กอนเพื่อเน้นว่าเปลือกนอกของมันเต็มแล้ว (ผู้เขียนร่วมสมัยบางคนตั้งคำถามถึงข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวนี้ โดยเลือกที่จะปฏิบัติตามการจัดเรียงวาเลนซ์อย่างสม่ำเสมอและวางฮีเลียมไว้เหนือเบริลเลียม) มีแปดคอลัมน์ในส่วนของตารางธาตุนี้ ซึ่งสอดคล้องกับอิเล็กตรอนเปลือกนอกอย่างมากที่สุดแปด ตัว [ 32 ]คาบจะเริ่มต้นเมื่อเปลือกใหม่เริ่มเติมเต็ม[ 30 ]สุดท้าย การระบายสีแสดงให้เห็นถึงบล็อก : ธาตุในบล็อก s (สีแดง) กำลังเติมเต็มออร์บิทัล s ในขณะที่ธาตุในบล็อก p (สีเหลือง) กำลังเติมเต็มออร์บิทัล p [ 30 ]
| 1 ชั่วโมง | 2 เขา | 2×1 = 2องค์ประกอบ1 วินาที | ||||||
| 3 หลี่ | 4 บี | 5 บี | 6 องศาเซลเซียส | 7 น. | 8 โอ | 9 เอฟ | 10 นี | 2×(1+3) = 8องค์ประกอบ2 วินาที2p |
| 11 นา | 12 มก. | 13 อัล | 14 ซีไอ | 15 พี | 16 ส. | 17 คล. | 18 อาร์ | 2×(1+3) = 8องค์ประกอบ3 วินาที3p |
เริ่มต้นแถวถัดไป สำหรับโพแทสเซียมและแคลเซียมซับเชลล์ 4s มีพลังงานต่ำที่สุด ดังนั้นจึงถูกเติมเต็มเป็นลำดับถัดไป[ 39 ] [ 58 ]โพแทสเซียมเพิ่มอิเล็กตรอนหนึ่งตัวลงในเชลล์ 4s ([Ar] 4s 1 ) จากนั้นแคลเซียมก็เติมเต็ม ([Ar] 4s 2 ) อย่างไรก็ตาม เริ่มจากสแกนเดียม ([Ar] 3d 1 4s 2 ) ซับเชลล์ 3d กลายเป็นซับเชลล์ที่มีพลังงานสูงที่สุดถัดไป ซับเชลล์ 4s และ 3d มีพลังงานใกล้เคียงกันและแข่งขันกันในการเติมอิเล็กตรอน ดังนั้นการครอบครองจึงไม่ได้เติมออร์บิทัล 3d ทีละตัวอย่างสม่ำเสมอ ลำดับพลังงานที่แน่นอนของ 3d และ 4s เปลี่ยนแปลงไปตามแถว และยังเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกำจัดออกจากอะตอมด้วย ตัวอย่างเช่น เนื่องจากการผลักกันระหว่างอิเล็กตรอน 3d และอิเล็กตรอน 4s ที่โครเมียมระดับพลังงาน 4s จะสูงกว่า 3d เล็กน้อย ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์มากกว่าสำหรับอะตอมโครเมียมที่จะมีโครงสร้าง [Ar] 3d 5 4s 1มากกว่า [Ar] 3d 4 4s 2 ความผิดปกติที่คล้ายกันเกิดขึ้นที่ทองแดงซึ่งอะตอมมีโครงสร้าง [Ar] 3d 10 4s 1แทนที่จะเป็น [Ar] 3d 9 4s 2 ที่คาดไว้ [ 39 ] สิ่งเหล่านี้เป็นการละเมิดกฎของมาเดลุง อย่างไรก็ตาม ความผิดปกติดังกล่าวไม่มีความสำคัญทางเคมีใดๆ[ 52 ]เคมีส่วนใหญ่ไม่ได้เกี่ยวกับอะตอมก๊าซที่แยกตัว[ 60 ]และโครงสร้างต่างๆ มีพลังงานใกล้เคียงกันมาก[ 50 ]จนการมีอยู่ของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงสามารถเปลี่ยนสมดุลได้[ 39 ]ดังนั้น ตารางธาตุจึงไม่สนใจพวกมันและพิจารณาเฉพาะการจัดเรียงในอุดมคติเท่านั้น[ 38 ]
ที่สังกะสี ([Ar] 3d 10 4s 2 ) ออร์บิทัล 3d เต็มสมบูรณ์ด้วยอิเล็กตรอนทั้งหมดสิบตัว[ 39 ] [ 58 ]ถัดมาคือออร์บิทัล 4p ซึ่งเติมเต็มแถว โดยจะถูกเติมเต็มอย่างต่อเนื่องโดยแกลเลียม ([Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 ) ไปจนถึงคริปตอน ([Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 ) ในลักษณะที่คล้ายคลึงกับธาตุ p-block ก่อนหน้า[ 39 ] [ 58 ]ตั้งแต่แกลเลียมเป็นต้นไป ออร์บิทัล 3d เป็นส่วนหนึ่งของแกนอิเล็กตรอน และไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีอีกต่อไป[ 57 ]ธาตุ s- และ p-block ซึ่งเติมเต็มเปลือกนอกเรียกว่าธาตุหลักธาตุ d-block (สีน้ำเงินด้านล่าง) ซึ่งเติมเต็มเปลือกในเรียกว่าธาตุทรานซิชัน (หรือโลหะทรานซิชัน เนื่องจากเป็นโลหะทั้งหมด) [ 61 ]
ธาตุ 18 ตัวถัดไปจะเติมออร์บิทัล 5s ( รูบิเดียมและสตรอนเทียม ) จากนั้น 4d ( อิตเทรียมถึงแคดเมียมโดยมีความผิดปกติเล็กน้อยระหว่างทาง) และจากนั้น 5p ( อินเดียมถึงซีนอน ) [ 30 ] [ 58 ]อีกครั้ง ตั้งแต่อินเดียมเป็นต้นไป ออร์บิทัล 4d จะอยู่ในแกนกลาง[ 58 ] [ 62 ]ดังนั้นแถวที่ห้าจึงมีโครงสร้างเหมือนกับแถวที่สี่[ 30 ]
| 1 ชั่วโมง | 2 เขา | 2×1 = 2องค์ประกอบ1 วินาที | ||||||||||||||||
| 3 หลี่ | 4 บี | 5 บี | 6 องศาเซลเซียส | 7 น. | 8 โอ | 9 เอฟ | 10 นี | 2×(1+3) = 8องค์ประกอบ2 วินาที2p | ||||||||||
| 11 นา | 12 มก. | 13 อัล | 14 ซีไอ | 15 พี | 16 ส. | 17 คล. | 18 อาร์ | 2×(1+3) = 8องค์ประกอบ3 วินาที3p | ||||||||||
| 19 กก. | 20 Ca | 21 ส.ค. | 22 ไท | 23 โวลต์ | 24 โคร | 25 ล้าน | 26 เฟ | 27 บริษัท | 28 นิ | 29 คิว | 30 สังกะสี | 31 เกจ | 32 จี | 33 อัส | 34 ซี | 35 บร | 36 โครน | 2×(1+3+5) = 18องค์ประกอบ4 วินาที3 มิติ4 โมงเย็น |
| 37 อาร์บี | 38 ส.ร. | 39 ปี | 40 Zr | 41 เอ็นบี | 42 เดือน | 43 Tc | 44 รู | 45 รh | 46 ปอนด์ | 47 ม.ค. | 48 ซีดี | 49 ใน | 50 Sn | 51 สบ | 52 เต | 53 ฉัน | 54 ซีอี | 2×(1+3+5) = 18องค์ประกอบ5 วินาที4d5 เพนนี |
แถวที่หกของตารางธาตุเริ่มต้นด้วยธาตุ s-block สองตัวเช่นกัน ได้แก่ซีเซียมและแบเรียม[ 58 ] หลังจากนั้น ธาตุ f-block ตัวแรก (สีเขียวด้านล่าง) ก็เริ่มปรากฏขึ้น โดยเริ่มจากแลนทานัมธาตุเหล่านี้บางครั้งเรียกว่าธาตุทรานซิชันภายใน[ 61 ]เนื่องจากตอนนี้ไม่เพียงแต่มีซับเชลล์ 4f เท่านั้น แต่ยังมีซับเชลล์ 5d และ 6s ที่มีพลังงานใกล้เคียงกัน การแข่งขันจึงเกิดขึ้นอีกครั้งด้วยการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่ไม่ปกติหลายอย่าง[ 50 ]ส่งผลให้เกิดข้อโต้แย้งเกี่ยวกับจุดเริ่มต้นของ f-block อย่างแน่ชัด แต่ผู้ที่ศึกษาเรื่องนี้ส่วนใหญ่เห็นพ้องต้องกันว่ามันเริ่มต้นที่แลนทานัมตามหลักการ Aufbau [ 63 ]แม้ว่าแลนทานัมเองจะไม่เติมเต็มซับเชลล์ 4f ในฐานะอะตอมเดี่ยว เนื่องจากแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอน[ 52 ] แต่ ออร์บิทัล 4f ของมันก็มีพลังงานต่ำพอที่จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีได้[ 64 ] [ 53 ] [ 65 ]ที่อิตเทอร์เบียมออร์บิทัล 4f ทั้งเจ็ดถูกเติมเต็มด้วยอิเล็กตรอนสิบสี่ตัวอย่างสมบูรณ์ จากนั้นจะเป็นธาตุทรานซิชันสิบตัว ( ลูเทเซียมถึงปรอท ) ตามมา[ 58 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]และสุดท้ายธาตุหมู่หลักหกตัว ( แทลเลียมถึงเรดอน ) จะทำให้คาบสมบูรณ์[ 58 ] [ 69 ]ตั้งแต่ลูเทเซียมเป็นต้นไป ออร์บิทัล 4f จะอยู่ในแกนกลาง[ 58 ] [ 65 ]และตั้งแต่แทลเลียมเป็นต้นไป ออร์บิทัล 5d ก็อยู่ในแกนกลางเช่นกัน[ 58 ] [ 57 ] [ 70 ]
แถวที่เจ็ดคล้ายคลึงกับแถวที่หก: 7s เต็ม ( ฟรานเซียมและเรเดียม ) จากนั้น 5f ( แอคติเนียมถึงโนเบเลียม ) จากนั้น 6d ( ลอว์เรนเซียมถึงโคเปอร์นิเซียม ) และสุดท้าย 7p ( นิโฮเนียมถึงโอแกเนสซอน ) [ 58 ]เริ่มจากลอว์เรนเซียม ออร์บิทัล 5f อยู่ในแกนกลาง[ 58 ]และออร์บิทัล 6d น่าจะเข้าร่วมแกนกลางโดยเริ่มจากนิโฮเนียม[ 58 ] [ 71 ] [ j ]อีกครั้ง มีความผิดปกติเล็กน้อยระหว่างทาง: [ 30 ]ตัวอย่างเช่น ในฐานะอะตอมเดี่ยว ทั้งแอคติเนียมและทอเรียม ไม่ ได้เติมซับเชลล์ 5f และลอว์เรนเซียมไม่ได้เติมเชลล์ 6d แต่ซับเชลล์เหล่านี้ทั้งหมดก็ยังสามารถเต็มได้ในสภาพแวดล้อมทางเคมี[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]เป็นเวลานานมากที่แถวที่เจ็ดไม่สมบูรณ์ เนื่องจากธาตุส่วนใหญ่ไม่พบในธรรมชาติธาตุที่ขาดหายไปนอกเหนือจากยูเรเนียมเริ่มถูกสังเคราะห์ในห้องปฏิบัติการในปี 1940 เมื่อมีการสร้างเนปทูเนียม[ 76 ] (อย่างไรก็ตาม ธาตุแรกที่ถูกค้นพบโดยการสังเคราะห์แทนที่จะพบในธรรมชาติคือเทคนีเซียมในปี 1937) แถวนี้สมบูรณ์ด้วยการสังเคราะห์เทนเนสซีนในปี 2009 [ 77 ] (ธาตุสุดท้ายคือโอแกเนสซอน ซึ่งถูกสร้างขึ้นแล้วในปี 2002) [ 78 ]และธาตุสุดท้ายในแถวที่เจ็ดนี้ได้รับการตั้งชื่อในปี 2016 [ 79 ]
| 1 ชั่วโมง | 2 เขา | 2×1 = 2องค์ประกอบ1 วินาที | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 3 หลี่ | 4 บี | 5 บี | 6 องศาเซลเซียส | 7 น. | 8 โอ | 9 เอฟ | 10 นี | 2×(1+3) = 8องค์ประกอบ2 วินาที2p | ||||||||||||||||||||||||
| 11 นา | 12 มก. | 13 อัล | 14 ซีไอ | 15 พี | 16 ส. | 17 คล. | 18 อาร์ | 2×(1+3) = 8องค์ประกอบ3 วินาที3p | ||||||||||||||||||||||||
| 19 กก. | 20 Ca | 21 ส.ค. | 22 ไท | 23 โวลต์ | 24 โคร | 25 ล้าน | 26 เฟ | 27 บริษัท | 28 นิ | 29 คิว | 30 สังกะสี | 31 เกจ | 32 จี | 33 อัส | 34 ซี | 35 บร | 36 โครน | 2×(1+3+5) = 18องค์ประกอบ4 วินาที3 มิติ4 โมงเย็น | ||||||||||||||
| 37 อาร์บี | 38 ส.ร. | 39 ปี | 40 Zr | 41 เอ็นบี | 42 เดือน | 43 Tc | 44 รู | 45 รh | 46 ปอนด์ | 47 ม.ค. | 48 ซีดี | 49 ใน | 50 Sn | 51 สบ | 52 เต | 53 ฉัน | 54 ซีอี | 2×(1+3+5) = 18องค์ประกอบ5 วินาที4d5 เพนนี | ||||||||||||||
| 55 ซี | 56 บา | 57 ลา | 58 ซี | 59 พ.ร. | 60 น. | 61 น. | 62 ตร.ม. | 63 ยูโร | 64 จีดี | 65 เทราไบต์ | 66 วัน | 67 โฮ | 68 เออร์ | 69 ตม. | 70 ยิปซัม | 71 ลู | 72 เอชเอฟ | 73 ตา | 74 ว. | 75 เร | 76 ออส | 77 อิร | 78 คะแนน | 79 ออ | 80 ปรอท | 81 ทล | 82 พีบี | 83 บีไอ | 84 โป | 85 ที่ | 86 อาร์เอ็น | 2×(1+3+5+7) = 32องค์ประกอบ6 วินาที4f5d6 โมงเย็น |
| 87 ฟร | 88 รา | 89 เอเคอร์ | 90 Th | 91 ปา | 92 ยู | 93 น. | 94 พู | 95 แอม | 96 ซม. | 97 เล่ม | 98 เปรียบเทียบ | 99 เอส | 100 เฟม | 101 ม.ด. | 102 เลขที่ | 103 ล. | 104 อาร์เอฟ | 105 เดซิเบล | 106 ส.จ. | 107 Bh | 108 เอชเอส | 109 ภูเขา | 110 ดี | 111 อาร์จี | 112 ซีเอ็น | 113 น. | ชั้น 114 | 115 แมค | 116 เลเวล | 117 ทีเอส | 118 Og | 2×(1+3+5+7) = 32องค์ประกอบ7s5 ฟุต6d7 โมงเย็น |
สิ่งนี้ทำให้ตารางธาตุสมัยใหม่สมบูรณ์ โดยที่ทั้งเจ็ดแถวเต็มความจุ[ 79 ]
ตารางการจัดเรียงอิเล็กตรอน
ตารางต่อไปนี้แสดงการจัดเรียงอิเล็กตรอนของอะตอมที่เป็นกลางในสถานะแก๊สของแต่ละธาตุ การจัดเรียงที่แตกต่างกันอาจได้รับความนิยมในสภาพแวดล้อมทางเคมีที่แตกต่างกัน[ 52 ]ธาตุในกลุ่มหลักมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่ปกติอย่างสมบูรณ์ ธาตุทรานซิชันและธาตุทรานซิชันภายในแสดงความไม่สม่ำเสมอ 20 ประการเนื่องจากการแข่งขันระหว่างซับเชลล์ที่อยู่ใกล้ระดับพลังงานดังกล่าว สำหรับธาตุ 10 ตัวสุดท้าย (109–118) ขาดข้อมูลการทดลอง[ 80 ]ดังนั้นจึงแสดงการจัดเรียงที่คำนวณแทน[ 81 ]ซับเชลล์ที่เต็มสมบูรณ์จะถูกระบายสีเทา
| กลุ่ม : | 1 | 2 | | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 วินาที: | 1 H 1 | 2 เขา 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| [เขา] 2s: 2p: | 3 หลี่ 1 - | 4 เป็น 2 - | 5 บี 2 1 | 6 C 2 2 | 7 น 2 3 | 8 O 2 4 | 9 เอฟ 2 5 | 10 นี 2 6 | ||||||||||||||||||||||||
| [Ne] 3s: 3p: | 11 Na 1 - | 12 มก. 2 - | 13 Al 2 1 | 14 Si 2 2 | 15 หน้า 2 3 | 16 S 2 4 | 17 Cl 2 5 | 18 อาร์ 2 6 | ||||||||||||||||||||||||
| [Ar] 4s: 3d: 4p: | 19 K 1 - - | 20 Ca 2 - - | 21 Sc 2 1 - | 22 Ti 2 2 - | 23 V 2 3 - | 24 Cr 1 5 - | 25 ม. 2 5 - | 26 Fe 2 6 - | 27 โค 2 7 - | 28 Ni 2 8 - | 29 คิว 1 10 - | 30 Zn 2 10 - | 31 Ga 2 10 1 | 32 Ge 2 10 2 | 33 เท่ากับ 2 10 3 | 34 Se 2 10 4 | 35 Br 2 10 5 | 36 Kr 2 10 6 | ||||||||||||||
| [Kr] 5s: 4d: 5p: | 37 Rb 1 - - | 38 Sr 2 - - | 39 Y 2 1 - | 40 Zr 2 2 - | 41 Nb 1 4 - | 42 เดือน 1 5 - | 43 Tc 2 5 - | 44 Ru 1 7 - | 45 Rh 1 8 - | 46 ปอนด์ - 10 - | 47 ส.ค. 1 10 - | 48 ซีดี 2 10 - | 49 ใน 2 10 1 | 50 Sn 2 10 2 | 51 Sb 2 10 3 | 52 Te 2 10 4 | 53 I 2 10 5 | 54 Xe 2 10 6 | ||||||||||||||
| [Xe] 6s: 4f: 5d: 6p: | 55 ซี 1 - - - | 56 Ba 2 - - - | 57 ลา 2 - 1 - | 58 Ce 2 1 1 - | 59 พ.ร. 2 3 - - | 60 Nd 2 4 - - | 61 น. 2 5 - - | 62 Sm 2 6 - - | 63 ยูโร 2 7 - - | 64 กด 2 7 1 - | 65 Tb 2 9 - - | 66 Dy 2 10 - - | 67 โฮ 2 11 - - | 68 Er 2 12 - - | 69 Tm 2 13 - - | 70 Yb 2 14 - - | 71 Lu 2 14 1 - | 72 Hf 2 14 2 - | 73 Ta 2 14 3 - | 74 W 2 14 4 - | 75 Re 2 14 5 - | 76 Os 2 14 6 - | 77 Ir 2 14 7 - | 78 ตอนที่ 1 14 9 - | 79 Au 1 14 10 - | 80 Hg 2 14 10 - | 81 Tl 2 14 10 1 | 82 Pb 2 14 10 2 | 83 Bi 2 14 10 3 | 84 Po 2 14 10 4 | 85 เวลา 2: 14: 10: 5 | 86 Rn 2 14 10 6 |
| [Rn] 7s: 5f: 6d: 7p: | 87 ฟร 1 - - - | 88 รา 2 - - - | 89 Ac 2 - 1 - | 90 Th 2 - 2 - | 91 Pa 2 2 1 - | 92 U 2 3 1 - | 93 Np 2 4 1 - | 94 Pu 2 6 - - | 95 Am 2 7 - - | 96 ซม. 2 7 1 - | 97 เล่ม 2 9 - - | 98 Cf 2 10 - - | 99 Es 2 11 - - | 100 เฟม 2 12 - - | 101 Md 2 13 - - | 102 เลขที่ 2 14 - - | 103 Lr 2 14 - 1 | 104 Rf 2 14 2 - | 105 Db 2 14 3 - | 106 Sg 2 14 4 - | 107 Bh 2 14 5 - | 108 Hs 2 14 6 - | 109 ม. 2 14 7 - | 110 Ds 2 14 8 - | 111 Rg 2 14 9 - | 112 Cn 2 14 10 - | 113 Nh 2 14 10 1 | 114 ชั้น 2 14 10 2 | 115 แม็ค 2 14 10 3 | 116 Lv 2 14 10 4 | 117 Ts 2 14 10 5 | 118 Og 2 14 10 6 |
การเปลี่ยนแปลง
คาบเรียนที่ 1
แม้ว่าตารางธาตุสมัยใหม่จะเป็นมาตรฐานในปัจจุบัน แต่การจัดวางธาตุในคาบที่ 1 อย่างไฮโดรเจนและฮีเลียมยังคงเป็นประเด็นเปิดที่อยู่ระหว่างการอภิปราย และอาจพบความแตกต่างได้บ้าง[ 57 ] [ 82 ]ตามการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ s 1และ s 2 ตามลำดับ ไฮโดรเจนจะถูกจัดวางในหมู่ที่ 1 และฮีเลียมจะถูกจัดวางในหมู่ที่ 2 [ 57 ]การจัดวางไฮโดรเจนในหมู่ที่ 1 เป็นเรื่องปกติ แต่ฮีเลียมมักจะถูกจัดวางในหมู่ที่ 18 ร่วมกับก๊าซเฉื่อยอื่นๆ[ 6 ]การถกเถียงนี้เกี่ยวข้องกับความเข้าใจที่ขัดแย้งกันเกี่ยวกับขอบเขตที่สมบัติทางเคมีหรืออิเล็กตรอนควรเป็นตัวกำหนดการจัดวางในตารางธาตุ[ 82 ]
เช่นเดียวกับโลหะหมู่ 1 ไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในวงโคจรชั้นนอกสุด[ 83 ]และโดยทั่วไปจะสูญเสียอิเล็กตรอนตัวเดียวในปฏิกิริยาเคมี[ 84 ]ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายโลหะบางอย่าง เช่น สามารถแทนที่โลหะบางชนิดจากเกลือของ โลหะเหล่านั้นได้ [ 84 ]แต่ไฮโดรเจนจะก่อตัวเป็นก๊าซอโลหะไดอะตอมิกภายใต้สภาวะมาตรฐาน ซึ่งแตกต่างจากโลหะอัลคาไลที่เป็นโลหะแข็งที่ทำปฏิกิริยาได้ดี คุณสมบัตินี้และการที่ไฮโดรเจนก่อตัวเป็นไฮไดรด์ ซึ่งไฮโดรเจนได้รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ทำให้ ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับธาตุ ฮาโลเจน ที่ทำเช่นเดียวกัน[ 84 ] (แม้ว่าไฮโดรเจนจะก่อตัวเป็น H − ได้ยาก กว่า H + ก็ตาม ) [ 85 ]ยิ่งไปกว่านั้น ธาตุฮาโลเจนที่เบาที่สุดสองชนิด ( ฟลูออรีนและคลอรีน ) ก็เป็นก๊าซเช่นเดียวกับไฮโดรเจนภายใต้สภาวะมาตรฐาน[ 84 ]คุณสมบัติบางอย่างของไฮโดรเจนไม่เหมาะสมกับหมู่ใดหมู่หนึ่ง เช่น ไฮโดรเจนไม่สามารถออกซิไดซ์หรือรีดิวซ์ได้สูง และไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำ[ 85 ]ดังนั้นไฮโดรเจนจึงมีคุณสมบัติที่สอดคล้องกับทั้งโลหะอัลคาไลและฮาโลเจน แต่ไม่ตรงกับกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งอย่างสมบูรณ์ จึงทำให้ยากที่จะจัดวางตามเคมีของมัน[ 84 ]ด้วยเหตุนี้ ในขณะที่การจัดวางอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนในกลุ่มที่ 1 เป็นที่แพร่หลาย การจัดเรียงที่หายากบางอย่างแสดงให้เห็นว่าไฮโดรเจนอยู่ในกลุ่มที่ 17 [ 86 ]มีไฮโดรเจนซ้ำกันในทั้งกลุ่มที่ 1 และ 17 [ 87 ] [ 88 ]หรือลอยตัวแยกจากทุกกลุ่ม[ 88 ] [ 89 ] [ 57 ]อย่างไรก็ตาม ตัวเลือกสุดท้ายนี้ได้รับการวิพากษ์วิจารณ์โดยนักเคมีและนักปรัชญาวิทยาศาสตร์Eric Scerriโดยให้เหตุผลว่าดูเหมือนจะหมายความว่าไฮโดรเจนอยู่เหนือกฎของตารางธาตุโดยสิ้นเชิง ซึ่งแตกต่างจากธาตุอื่นๆ ทั้งหมด[ 90 ]
ฮีเลียมเป็นธาตุเพียงชนิดเดียวที่อยู่ในตำแหน่งในตารางธาตุที่ไม่สอดคล้องกับโครงสร้างอิเล็กตรอน มันมีอิเล็กตรอนสองตัวในวงโคจรชั้นนอกสุด ในขณะที่ก๊าซเฉื่อยอื่นๆ มีแปดตัว และมันเป็นธาตุในกลุ่ม s ในขณะที่ก๊าซเฉื่อยอื่นๆ ทั้งหมดเป็นธาตุในกลุ่ม p อย่างไรก็ตาม มันไม่ทำปฏิกิริยาภายใต้สภาวะมาตรฐาน และมีวงโคจรชั้นนอกสุดที่เต็ม: คุณสมบัติเหล่านี้คล้ายกับก๊าซเฉื่อยในหมู่ 18 แต่ไม่เหมือนกับโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธที่ทำปฏิกิริยาได้ในหมู่ 2 เลย ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ฮีเลียมจึงถูกจัดไว้ในหมู่ 18 เกือบทุกครั้ง[ 6 ]ซึ่งคุณสมบัติของมันตรงกันมากที่สุด[ 57 ]ข้อเสนอที่จะย้ายฮีเลียมไปอยู่ในหมู่ 2 ถูกปฏิเสธโดย IUPAC ในปี 1988 ด้วยเหตุผลเหล่านี้[ 23 ]อย่างไรก็ตาม ฮีเลียมยังคงถูกจัดไว้ในหมู่ 2 เป็นครั้งคราวในปัจจุบัน[ 91 ]และคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีบางอย่างของมันใกล้เคียงกับธาตุในหมู่ 2 มากกว่าและสนับสนุนการจัดวางอิเล็กตรอน[ 83 ] [ 57 ]ฮีเลียมแข็งตกผลึกใน โครงสร้าง แบบหกเหลี่ยมอัดแน่นซึ่งตรงกับเบริลเลียมและแมกนีเซียมในหมู่ 2 แต่ไม่ตรงกับก๊าซเฉื่อยอื่นๆ ในหมู่ 18 [ 92 ]การพัฒนาทางทฤษฎีล่าสุดในเคมีของก๊าซเฉื่อย ซึ่งคาดว่าฮีเลียมจะมีความเฉื่อยน้อยกว่านีออนเล็กน้อยและก่อตัวเป็น (HeO)(LiF) ที่มีโครงสร้างคล้ายกับสารประกอบเบริลเลียมที่คล้ายคลึงกัน (แต่ไม่มีนีออนที่คล้ายคลึงกันตามที่คาดไว้) ส่งผลให้นักเคมีจำนวนมากขึ้นสนับสนุนการจัดวางฮีเลียมไว้ในหมู่ 2 สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับข้อโต้แย้งทางอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากเหตุผลที่นีออนมีความเฉื่อยมากกว่าคือการผลักกันจากเปลือก p ที่เต็มซึ่งฮีเลียมไม่มี แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วเป็นไปได้ยากที่โมเลกุลที่มีฮีเลียมจะเสถียรนอกสภาวะอุณหภูมิต่ำมาก (ประมาณ 10 K ) [ 93 ] [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]
ความผิดปกติ ของแถวแรกในตารางธาตุยังถูกอ้างถึงเพื่อสนับสนุนการย้ายฮีเลียมไปอยู่ในหมู่ 2 ความผิดปกตินี้เกิดขึ้นเนื่องจากออร์บิทัลแรกของธาตุใดๆ ก็ตามมีขนาดเล็กผิดปกติ เนื่องจากไม่เหมือนกับออร์บิทัลที่มีขนาดสูงกว่า มันไม่ประสบกับการผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนจากออร์บิทัลที่มีขนาดเล็กกว่าของธาตุชนิดเดียวกัน ทำให้ธาตุในแถวแรกของแต่ละบล็อกมีอะตอมขนาดเล็กผิดปกติ และธาตุเหล่านี้มักแสดงความผิดปกติที่เป็นลักษณะเฉพาะของหมู่ธาตุนั้นๆ นักเคมีบางคนที่สนับสนุนการจัดตำแหน่งใหม่ของฮีเลียมได้ชี้ให้เห็นว่าฮีเลียมแสดงความผิดปกติที่คล้ายกันหากวางไว้ในหมู่ 2 แต่จะไม่แสดงหากวางไว้ในหมู่ 18 ในทางกลับกัน นีออน ซึ่งจะเป็นธาตุแรกของหมู่ 18 หากนำฮีเลียมออกจากตำแหน่งนั้น แสดงความผิดปกติที่คล้ายกัน[ 93 ]ความสัมพันธ์ระหว่างฮีเลียมและเบริลเลียมจึงถูกโต้แย้งว่าคล้ายกับความสัมพันธ์ระหว่างไฮโดรเจนและลิเธียม ซึ่งเป็นการจัดวางที่ได้รับการยอมรับมากกว่า[ 94 ]ตัวอย่างเช่น เนื่องจากแนวโน้มของขนาดวงโคจรนี้ ความแตกต่างอย่างมากในรัศมีอะตอมระหว่างสมาชิกตัวแรกและตัวที่สองของแต่ละกลุ่มหลักจึงพบได้ในกลุ่มที่ 1 และ 13–17: ความแตกต่างนี้มีอยู่ระหว่างนีออนและอาร์กอน และระหว่างฮีเลียมและเบริลเลียม แต่ไม่มีระหว่างฮีเลียมและนีออน สิ่งนี้ส่งผลกระทบต่อจุดเดือดและความสามารถในการละลายในน้ำของก๊าซเฉื่อยในทำนองเดียวกัน โดยที่ฮีเลียมอยู่ใกล้กับนีออนมากเกินไป และความแตกต่างอย่างมากที่เป็นลักษณะเฉพาะระหว่างธาตุสองตัวแรกของกลุ่มจะปรากฏเฉพาะระหว่างนีออนและอาร์กอน การย้ายฮีเลียมไปอยู่กลุ่มที่ 2 ทำให้แนวโน้มนี้สอดคล้องกันในกลุ่มที่ 2 และ 18 เช่นกัน โดยทำให้ฮีเลียมเป็นธาตุตัวแรกของกลุ่มที่ 2 และนีออนเป็นธาตุตัวแรกของกลุ่มที่ 18: ทั้งสองแสดงคุณสมบัติที่เป็นลักษณะเฉพาะของธาตุตัวแรกของกลุ่มที่มีสมมาตรไคโนสมมาตร[ 97 ] [ 98 ]อย่างไรก็ตาม การวางฮีเลียมไว้ในกลุ่มที่ 18 ยังคงเกือบจะเป็นสากลเนื่องจากความเฉื่อยอย่างมากของมัน[ 99 ]นอกจากนี้ ตารางที่ลอยทั้งไฮโดรเจนและฮีเลียมอยู่นอกกลุ่มทั้งหมดอาจพบได้ยาก[ 89 ] [ 57 ] [ 58 ]
กลุ่ม 3
ในตารางธาตุหลายๆ ตาราง ธาตุในกลุ่ม f จะถูกเลื่อนไปทางขวาหนึ่งธาตุ ทำให้แลนทานัมและแอคติเนียมกลายเป็นธาตุในกลุ่ม d ในหมู่ 3 และ Ce–Lu และ Th–Lr กลายเป็นธาตุในกลุ่ม f ดังนั้น กลุ่ม d จึงถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนที่ไม่เท่ากันมาก นี่เป็นผลพวงจากการวัดการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่ผิดพลาดในยุคแรก การวัดในปัจจุบันมีความสอดคล้องกับรูปแบบที่มีลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมในหมู่ 3 และมี La–Yb และ Ac–No เป็นกลุ่ม f มากกว่า[ 25 ] [ 100 ]
เปลือก 4f เต็มสมบูรณ์ที่อิตเทอร์เบียม และด้วยเหตุนี้Lev LandauและEvgeny Lifshitzจึงพิจารณาว่าการจัดกลุ่มลูเทเซียมเป็นธาตุในกลุ่ม f-block ในปี 1948 นั้นไม่ถูกต้อง[ 26 ]พวกเขายังไม่ได้ดำเนินการแยกแลนทานัมออกจากกลุ่ม d-block ด้วย แต่Jun Kondō ตระหนักในปี 1963 ว่า สภาพนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิต่ำของแลนทานัมบ่งบอกถึงกิจกรรมของเปลือก 4f ของมัน[ 101 ]ในปี 1965 David C. Hamilton เชื่อมโยงการสังเกตนี้กับตำแหน่งของมันในตารางธาตุ และโต้แย้งว่ากลุ่ม f-block ควรประกอบด้วยธาตุ La–Yb และ Ac–No [ 64 ]นับตั้งแต่นั้นมา หลักฐานทางกายภาพ เคมี และอิเล็กทรอนิกส์ได้สนับสนุนการกำหนดนี้[ 25 ] [ 23 ] [ 100 ]ปัญหานี้ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากWilliam B. Jensenในปี 1982 [ 25 ]และการจัดกลุ่ม lutetium และ lawrencium ใหม่เป็นกลุ่ม 3 ได้รับการสนับสนุนจากรายงานของ IUPAC ตั้งแต่ปี 1988 (เมื่อมีการแนะนำหมายเลขกลุ่ม 1–18) [ 23 ]และปี 2021 [ 24 ]อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างยังคงมีอยู่เนื่องจากผู้เขียนตำราส่วนใหญ่ไม่ทราบถึงปัญหานี้[ 25 ]
บางครั้งอาจพบรูปแบบที่สามซึ่งช่องว่างใต้ธาตุอิตเทรียมในกลุ่มที่ 3 จะถูกเว้นว่างไว้ เช่น ตารางที่ปรากฏบนเว็บไซต์ IUPAC [ 6 ]แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดความไม่สอดคล้องกับกลศาสตร์ควอนตัมโดยทำให้บล็อก f มีความกว้าง 15 ธาตุ (La–Lu และ Ac–Lr) แม้ว่าจะมีอิเล็กตรอนเพียง 14 ตัวเท่านั้นที่สามารถอยู่ในซับเชลล์ f ได้[ 24 ]นอกจากนี้ยังมีความสับสนในเอกสารเกี่ยวกับองค์ประกอบที่ถูกระบุว่าอยู่ในหมู่ 3 [ 24 ] [ 33 ] [ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]ในขณะที่รายงาน IUPAC ปี 2021 ระบุว่า f-block ที่มี 15 องค์ประกอบได้รับการสนับสนุนจากผู้ปฏิบัติงานบางคนในสาขาเฉพาะทางของกลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัม พัทธภาพ ที่เน้นคุณสมบัติของธาตุหนักยิ่งยวดแต่ความคิดเห็นของโครงการคือความกังวลที่ขึ้นอยู่กับความสนใจดังกล่าวไม่ควรมีผลต่อวิธีการนำเสนอตารางธาตุแก่ "ชุมชนเคมีและวิทยาศาสตร์ทั่วไป" [ 24 ]ผู้เขียนคนอื่นๆ ที่เน้นเรื่องธาตุหนักยิ่งยวดได้ชี้แจงว่า "รายการที่ 15 ของบล็อก f แสดงถึงช่องแรกของบล็อก d ซึ่งเว้นว่างไว้เพื่อระบุตำแหน่งของการแทรกบล็อก f" ซึ่งหมายความว่ารูปแบบนี้ยังคงมีลูเทเซียมและลอว์เรนเซียม (รายการที่ 15 ที่กล่าวถึง) เป็นธาตุบล็อก d ในกลุ่มที่ 3 [ 105 ]อันที่จริง เมื่อสิ่งพิมพ์ของ IUPAC ขยายตารางเป็น 32 คอลัมน์ พวกเขาก็ทำให้ชัดเจนและวางลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมไว้ใต้อิตเทรียมในกลุ่มที่ 3 [ 106 ] [ 107 ]
มีข้อโต้แย้งหลายประการที่สนับสนุน Sc-Y-La-Ac ในเอกสาร[ 108 ] [ 109 ]แต่ข้อโต้แย้งเหล่านั้นถูกท้าทายว่าไม่สอดคล้องกันทางตรรกะ[ 63 ] [ 28 ] [ 29 ]ตัวอย่างเช่น มีการโต้แย้งว่าแลนทานัมและแอคติเนียมไม่สามารถเป็นธาตุ f-block ได้ เพราะในฐานะอะตอมในสถานะแก๊ส พวกมันยังไม่ได้เริ่มเติมซับเชลล์ f [ 110 ]แต่เช่นเดียวกันกับธอร์เรียมซึ่งไม่เคยถูกโต้แย้งว่าเป็นธาตุ f-block [ 24 ] [ 25 ]และข้อโต้แย้งนี้มองข้ามปัญหาอีกด้านหนึ่ง นั่นคือ การเติมเชลล์ f เสร็จสมบูรณ์ที่อิตเตอร์เบียมและโนเบเลียม ซึ่งตรงกับรูปแบบ Sc-Y-Lu-Lr และไม่ใช่ที่ลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมอย่างที่รูปแบบ Sc-Y-La-Ac ต้องการ[ 111 ]ไม่เพียงแต่การจัดเรียงตัวที่พิเศษเช่นนี้จะมีจำนวนน้อย[ 111 ]แต่ยังไม่เคยถูกพิจารณาว่ามีความเกี่ยวข้องกับการวางตำแหน่งธาตุอื่นใดบนตารางธาตุเลย: ในอะตอมที่เป็นก๊าซ เปลือก d จะเติมเต็มที่ทองแดง พัลลาเดียม และทองคำ แต่นักเคมีส่วนใหญ่ยอมรับว่าการจัดเรียงตัวเหล่านี้เป็นข้อยกเว้น และบล็อก d สิ้นสุดลงตามกฎของ Madelung ที่สังกะสี แคดเมียม และปรอท[ 33 ]ข้อเท็จจริงที่เกี่ยวข้องกับการวางตำแหน่ง[ 38 ] [ 66 ]คือแลนทานัมและแอคติเนียม (เช่นเดียวกับธอร์เรียม) มีออร์บิทัล f วาเลนซ์ที่สามารถถูกครอบครองได้ในสภาพแวดล้อมทางเคมี ในขณะที่ลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมไม่มี: [ 58 ] [ 112 ] [ 75 ]เปลือก f ของพวกมันอยู่ในแกนกลาง และไม่สามารถใช้สำหรับปฏิกิริยาเคมีได้[ 65 ] [ 113 ]ดังนั้นความสัมพันธ์ระหว่างอิตเทรียมและแลนทานัมจึงเป็นเพียงความสัมพันธ์รองระหว่างธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์เท่ากันแต่มีชนิดของวงโคจรวาเลนซ์ต่างกัน เช่น ความสัมพันธ์ระหว่างโครเมียมและยูเรเนียม ในขณะที่ความสัมพันธ์ระหว่างอิตเทรียมและลูเทเซียมเป็นความสัมพันธ์หลัก โดยมีจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์และชนิดของวงโคจรวาเลนซ์ร่วมกัน[ 58 ]
แนวโน้มตามช่วงเวลา
เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนวาเลนซ์[ 32 ]จึงคาดได้ว่าธาตุที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนวงนอกที่คล้ายคลึงกันจะทำปฏิกิริยาในลักษณะเดียวกันและสร้างสารประกอบที่มีสัดส่วนของธาตุที่คล้ายคลึงกัน[ 114 ]ธาตุเหล่านี้ถูกจัดไว้ในหมู่เดียวกัน ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะมีความคล้ายคลึงกันและแนวโน้มที่ชัดเจนในพฤติกรรมทางเคมีเมื่อเคลื่อนลงมาตามหมู่[ 115 ]เนื่องจากการจัดเรียงที่คล้ายคลึงกันเกิดขึ้นในช่วงเวลาปกติ คุณสมบัติของธาตุจึงแสดงให้เห็นถึงการเกิดซ้ำเป็นระยะๆ ดังนั้นจึงเป็นที่มาของชื่อตารางธาตุและกฎคาบ การเกิดซ้ำเป็นระยะๆ เหล่านี้ได้รับการสังเกตเห็นมานานก่อนที่จะมีการพัฒนาทฤษฎีพื้นฐานที่อธิบายถึงสิ่งเหล่านี้[ 116 ] [ 117 ]
รัศมีอะตอม
ในอดีต ขนาดทางกายภาพของอะตอมยังไม่เป็นที่ทราบจนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 20 การประมาณค่ารัศมีอะตอมของไฮโดรเจนที่คำนวณได้ครั้งแรกได้รับการตีพิมพ์โดยนักฟิสิกส์Arthur Haasในปี 1910 โดยมีความคลาดเคลื่อนไม่เกินหนึ่งอันดับ (ปัจจัย 10) จากค่าที่ยอมรับกันคือรัศมีของ Bohr (~0.529 Å) ในแบบจำลองของเขา Haas ใช้การจัดเรียงอิเล็กตรอนเดี่ยวตามแบบจำลองอะตอมแบบคลาสสิกที่เสนอโดยJJ Thomsonในปี 1904 ซึ่งมักเรียกว่าแบบจำลองพุดดิ้งลูกพลัม[ 118 ]
รัศมีอะตอม (ขนาดของอะตอม) ขึ้นอยู่กับขนาดของวงโคจรชั้นนอกสุด[ 97 ]โดยทั่วไปแล้วรัศมีจะลดลงเมื่อเคลื่อนจากซ้ายไปขวาตามธาตุหมู่หลัก เนื่องจากประจุของนิวเคลียสเพิ่มขึ้น แต่อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดยังคงอยู่ในเปลือกเดียวกัน อย่างไรก็ตาม เมื่อเคลื่อนลงมาตามคอลัมน์ รัศมีโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดอยู่ในเปลือกที่สูงกว่า จึงอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น[ 32 ] [ 119 ]แถวแรกของแต่ละบล็อกมีขนาดเล็กผิดปกติ เนื่องจากผลที่เรียกว่าkainosymmetryหรือ primogenic repulsion: [ 120 ]ซับเชลล์ 1s, 2p, 3d และ 4f ไม่มีอะนาล็อกภายใน ตัวอย่างเช่น วงโคจร 2p ไม่ได้รับการผลักอย่างรุนแรงจากวงโคจร 1s และ 2s ซึ่งมีการกระจายประจุเชิงมุมที่แตกต่างกันมาก ดังนั้นจึงมีขนาดไม่ใหญ่มาก แต่ออร์บิทัล 3p ประสบกับแรงผลักอย่างรุนแรงจากออร์บิทัล 2p ซึ่งมีการกระจายประจุเชิงมุมที่คล้ายคลึงกัน ดังนั้นซับเชลล์ s, p, d และ f ที่สูงกว่าจึงประสบกับแรงผลักอย่างรุนแรงจากซับเชลล์ที่คล้ายคลึงกันภายใน ซึ่งมีการกระจายประจุเชิงมุมที่ใกล้เคียงกัน และต้องขยายตัวเพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ ทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างธาตุ 2p ขนาดเล็กซึ่งชอบพันธะหลายพันธะและธาตุ 3p ขนาดใหญ่และธาตุ p ที่สูงกว่าซึ่งไม่ชอบ พันธะหลายพันธะ [ 97 ]ความผิดปกติที่คล้ายกันเกิดขึ้นสำหรับธาตุ 1s, 2p, 3d, 4f และธาตุ 5g สมมุติฐาน: [ 121 ]ระดับของความผิดปกติแถวแรกนี้สูงที่สุดสำหรับบล็อก s ปานกลางสำหรับบล็อก p และเด่นชัดน้อยกว่าสำหรับบล็อก d และ f [ 122 ]
ในธาตุทรานซิชัน เปลือกชั้นในจะถูกเติมเต็ม แต่ขนาดของอะตอมยังคงถูกกำหนดโดยอิเล็กตรอนชั้นนอก ประจุของนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้นตลอดอนุกรมและจำนวนอิเล็กตรอนชั้นในที่เพิ่มขึ้นสำหรับการกำบังจะชดเชยกันในระดับหนึ่ง ดังนั้นการลดลงของรัศมีจึงน้อยลง[ 119 ]อะตอม 4p และ 5d ซึ่งมาทันทีหลังจากมีการแนะนำอนุกรมทรานซิชันประเภทใหม่เป็นครั้งแรก มีขนาดเล็กกว่าที่คาดไว้[ 123 ]เนื่องจากซับเชลล์แกนกลาง 3d และ 4f ที่เพิ่มเข้ามาให้การกำบังประจุของนิวเคลียสสำหรับอิเล็กตรอนชั้นนอกได้ไม่สมบูรณ์เท่านั้น ดังนั้นตัวอย่างเช่น อะตอมของแกลเลียมจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมของอะลูมิเนียมเล็กน้อย[ 97 ]เมื่อรวมกับไคโนสมมาตร สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดความแตกต่างระหว่างคาบคู่และคี่ (ยกเว้นในบล็อก s) [ k ]ซึ่งบางครั้งเรียกว่าความเป็นคาบรอง: ธาตุในคาบคู่มีรัศมีอะตอมที่เล็กกว่าและชอบที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนน้อยกว่า ในขณะที่ธาตุในคาบคี่ (ยกเว้นคาบแรก) จะแตกต่างกันในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้น ตัวอย่างเช่น คุณสมบัติหลายอย่างใน p-block แสดงแนวโน้มแบบซิกแซกมากกว่าแนวโน้มที่ราบเรียบไปตามหมู่ ตัวอย่างเช่น ฟอสฟอรัสและแอนติโมนีในคาบคี่ของหมู่ 15 สามารถเข้าถึงสถานะออกซิเดชัน +5 ได้อย่างง่ายดาย ในขณะที่ไนโตรเจน อาร์เซนิก และบิสมัทในคาบคู่มักจะคงอยู่ที่ +3 [ 122 ] [ 124 ]สถานการณ์ที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นกับ d-block โดยที่อะตอมของลูเทเซียมถึงทังสเตนมีขนาดเล็กกว่าอะตอมของอิตเทรียมถึงโมลิบเดนัมเล็กน้อยตามลำดับ[ 125 ] [ 126 ]
อะตอมของแทลเลียมและตะกั่วมีขนาดใกล้เคียงกับอะตอมของอินเดียมและดีบุกตามลำดับ แต่ตั้งแต่บิสมัทไปจนถึงเรดอน อะตอม 6p จะมีขนาดใหญ่กว่าอะตอม 5p ที่เทียบเคียงกันได้ เนื่องจากเมื่อนิวเคลียสของอะตอมมีประจุสูงมากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษจึงจำเป็นต้องใช้ในการวัดผลกระทบของนิวเคลียสต่อกลุ่มอิเล็กตรอนผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ เหล่านี้ ส่งผลให้ธาตุหนักมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมากขึ้นเมื่อเทียบกับธาตุที่เบากว่าในตารางธาตุปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินกับวงโคจรจะแยกซับเชลล์ p ออก: วงโคจร p หนึ่งวงมีเสถียรภาพเชิงสัมพัทธภาพและหดตัวลง (ซึ่งเติมเต็มแทลเลียมและตะกั่ว) แต่อีกสองวง (ซึ่งเติมเต็มบิสมัทไปจนถึงเรดอน) จะไม่มีเสถียรภาพเชิงสัมพัทธภาพและขยายตัวออก[ 97 ]ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพยังอธิบายได้ว่าทำไมทองคำ จึง มีสีทองและปรอทจึงเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง[ 127 ] [ 128 ]คาดว่าจะแข็งแกร่งมากในช่วงปลายคาบที่เจ็ด ซึ่งอาจนำไปสู่การล่มสลายของความเป็นคาบ[ 129 ]การจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็นที่ทราบอย่างชัดเจนจนถึงธาตุที่ 108 ( ฮัสเซียม ) เท่านั้น และเคมีเชิงทดลองที่เกินกว่า 108 นั้นทำได้เฉพาะกับธาตุที่ 112 ( โคเปอร์นิ เซียม ) ถึง 115 ( มอสโคเวียม ) เท่านั้น ดังนั้นลักษณะทางเคมีของธาตุที่หนักที่สุดจึงยังคงเป็นหัวข้อของการวิจัยในปัจจุบัน[ 130 ] [ 131 ]
แนวโน้มที่รัศมีอะตอมลดลงจากซ้ายไปขวายังปรากฏในรัศมีไอออน ด้วย แม้ว่าจะตรวจสอบได้ยากกว่าเนื่องจากไอออนที่พบได้บ่อยที่สุดของธาตุที่ต่อเนื่องกันมักมีประจุต่างกัน ไอออนที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเหมือนกันจะมีขนาดเล็ลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น เนื่องจากการดึงดูดจากนิวเคลียสที่มีประจุบวกมากขึ้น ตัวอย่างเช่น รัศมีไอออนจะลดลงในลำดับ Se 2− , Br − , Rb + , Sr 2+ , Y 3+ , Zr 4+ , Nb 5+ , Mo 6+ , Tc 7+ไอออนของธาตุเดียวกันจะมีขนาดเล็ลงเมื่ออิเล็กตรอนถูกกำจัดออกไปมากขึ้น เนื่องจากแรงดึงดูดจากนิวเคลียสเริ่มมีมากกว่าแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนที่ทำให้กลุ่มอิเล็กตรอนขยายตัว ตัวอย่างเช่น รัศมีไอออนจะลดลงในลำดับ V 2+ , V 3+ , V 4+ , V 5+ [ 132 ]
พลังงานไอออนไนเซชัน
พลังงานไอออนไนเซชันแรกของอะตอมคือพลังงานที่จำเป็นในการนำอิเล็กตรอนออกจากอะตอม พลังงานนี้จะแปรผันตามรัศมีของอะตอม โดยพลังงานไอออนไนเซชันจะเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาและจากล่างขึ้นบน เนื่องจากอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสจะถูกยึดไว้แน่นกว่าและยากที่จะนำออก พลังงานไอออนไนเซชันจึงมีค่าต่ำสุดที่ธาตุแรกของแต่ละคาบ ได้แก่ ไฮโดรเจนและโลหะอัลคาไลจากนั้นโดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นจนถึงก๊าซเฉื่อยที่ขอบด้านขวาของคาบ[ 32 ]มีข้อยกเว้นบางประการสำหรับแนวโน้มนี้ เช่น ออกซิเจน ซึ่งอิเล็กตรอนที่ถูกนำออกนั้นเป็นคู่ ดังนั้นแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนจึงทำให้นำออกได้ง่ายกว่าที่คาดไว้[ 133 ]
ในอนุกรมการเปลี่ยนผ่าน อิเล็กตรอนวงนอกจะสูญเสียไปก่อน แม้ว่าวงโคจรวงในจะถูกเติมเต็มก็ตาม ตัวอย่างเช่น ในอนุกรม 3d อิเล็กตรอน 4s จะสูญเสียไปก่อน แม้ว่าวงโคจรวงใน 3d จะถูกเติมเต็มก็ตาม ผลของการป้องกันจากการเพิ่มอิเล็กตรอน 3d พิเศษจะชดเชยการเพิ่มขึ้นของประจุนิวเคลียร์โดยประมาณ ดังนั้นพลังงานไอออนไนเซชันจึงคงที่เป็นส่วนใหญ่ แม้ว่าจะมีการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยโดยเฉพาะในตอนท้ายของอนุกรมการเปลี่ยนผ่านแต่ละชุด[ 134 ]
เนื่องจากอะตอมของโลหะมีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมี พลังงานไอออนไนเซชันจึงมักมีความสัมพันธ์กับปฏิกิริยาเคมี แม้ว่าจะมีปัจจัยอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องด้วยก็ตาม[ 134 ]
ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน
คุณสมบัติตรงข้ามกับพลังงานไอออนไนเซชันคือความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนซึ่งเป็นพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อเพิ่มอิเล็กตรอนเข้าไปในอะตอม[ 135 ]อิเล็กตรอนที่ผ่านไปจะถูกดึงดูดเข้าหาอะตอมได้ง่ายขึ้นหากมันรู้สึกถึงแรงดึงของนิวเคลียสที่แรงกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีวงโคจรชั้นนอกที่บรรจุไม่เต็มว่างอยู่ซึ่งสามารถรองรับมันได้ ดังนั้น ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนจึงมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นจากล่างขึ้นบนและจากซ้ายไปขวา ข้อยกเว้นคือคอลัมน์สุดท้าย ก๊าซเฉื่อย ซึ่งมีเปลือกที่เต็มแล้วและไม่มีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนอีกตัว ทำให้ฮาโลเจนในคอลัมน์รองสุดท้ายมีความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนสูงสุด[ 32 ]
อะตอมบางชนิด เช่น ก๊าซเฉื่อย ไม่มีความสัมพันธ์กับอิเล็กตรอน: พวกมันไม่สามารถสร้างแอนไอออนในสถานะก๊าซที่เสถียรได้[ 136 ] (พวกมันสามารถสร้างเรโซแนนซ์ แบบกึ่งเสถียรได้ หากอิเล็กตรอนที่เข้ามามีพลังงานจลน์มากพอ แต่เรโซแนนซ์เหล่านี้จะแยกตัวออกเองอย่างรวดเร็วและหลีกเลี่ยง ไม่ได้: ตัวอย่างเช่น อายุการใช้งานของระดับ He −ที่มีอายุยืนยาวที่สุดคือประมาณ 359 ไมโครวินาที) [ 137 ]ก๊าซเฉื่อยซึ่งมีพลังงานไอออนไนเซชันสูงและไม่มีความสัมพันธ์กับอิเล็กตรอน มีแนวโน้มที่จะรับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนน้อย และโดยทั่วไปจะไม่ทำปฏิกิริยา[ 32 ]
มีข้อยกเว้นบางประการสำหรับแนวโน้มดังกล่าว: ออกซิเจนและฟลูออรีนมีค่าสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอนต่ำกว่าธาตุที่มีน้ำหนักมากกว่าอย่างซัลเฟอร์และคลอรีน เนื่องจากเป็นอะตอมขนาดเล็ก ดังนั้นอิเล็กตรอนที่เพิ่มเข้ามาใหม่จะประสบกับการผลักกันอย่างมากจากอิเล็กตรอนที่มีอยู่แล้ว สำหรับธาตุอโลหะ ค่าสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอนก็มีความสัมพันธ์กับปฏิกิริยาในระดับหนึ่ง แต่ไม่สมบูรณ์แบบเนื่องจากมีปัจจัยอื่น ๆ เข้ามาเกี่ยวข้อง ตัวอย่างเช่น ฟลูออรีนมีค่าสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอนต่ำกว่าคลอรีน (เนื่องจากการผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนอย่างรุนแรงสำหรับอะตอมฟลูออรีนที่มีขนาดเล็กมาก) แต่มีปฏิกิริยามากกว่า[ 135 ]
สถานะวาเลนซ์และสถานะออกซิเดชัน
ค่าเวเลนซ์ของธาตุสามารถกำหนดได้ทั้งจากจำนวนอะตอมไฮโดรเจนที่สามารถรวมตัวกับธาตุนั้นเพื่อสร้างไฮไดรด์ไบนารีแบบง่าย หรือจากสองเท่าของจำนวนอะตอมออกซิเจนที่สามารถรวมตัวกับธาตุนั้นเพื่อสร้างออกไซด์ไบนารีแบบง่าย (นั่นคือ ไม่ใช่เปอร์ออกไซด์หรือซูเปอร์ออกไซด์ ) [ 111 ]ค่าเวเลนซ์ของธาตุหมู่หลักมีความสัมพันธ์โดยตรงกับเลขหมู่: ไฮไดรด์ในหมู่หลัก 1–2 และ 13–17 มีสูตรเป็น MH, MH , MH , MH , MH , MH และสุดท้าย MH ออกไซด์ที่มีค่าเวเลนซ์สูงสุดจะมีค่าเพิ่มขึ้นตามลำดับเป็น M O, MO, M 2 3 MO , M O , MO , M O [ l ]ปัจจุบันแนวคิดเรื่องวาเลนซ์ได้รับการขยายโดยแนวคิดเรื่องสถานะออกซิเดชันซึ่งเป็นประจุฟอร์มัลที่เหลืออยู่บนธาตุเมื่อธาตุอื่นๆ ทั้งหมดในสารประกอบถูกกำจัดออกไปในรูปไอออน[ 114 ]
การจัดเรียงอิเล็กตรอนชี้ให้เห็นคำอธิบายที่ง่ายจากจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่สำหรับการสร้างพันธะ[ 114 ]อันที่จริง จำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์เริ่มต้นที่ 1 ในหมู่ที่ 1 จากนั้นจะเพิ่มขึ้นไปทางด้านขวาของตารางธาตุ โดยจะรีเซ็ตเป็น 3 ทุกครั้งที่เริ่มต้นบล็อกใหม่ ดังนั้นในคาบที่ 6 Cs–Ba มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์ 1–2 ตัว La–Yb มี 3–16 ตัว Lu–Hg มี 3–12 ตัว และ Tl–Rn มี 3–8 ตัว[ 113 ]อย่างไรก็ตาม ทางด้านขวาของบล็อก d และ f ค่าสูงสุดทางทฤษฎีที่สอดคล้องกับการใช้อิเล็กตรอนวาเลนซ์ทั้งหมดนั้นไม่สามารถทำได้เลย[ 138 ]สถานการณ์เดียวกันนี้ส่งผลกระทบต่อออกซิเจน ฟลูออรีน และก๊าซเฉื่อยเบาจนถึงคริปตอน[ 139 ]
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | เอช1 | เขา2 | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | หลี่1 | เป็น2 | บี3 | ซี4 | เอ็น5 | โอ6 | เอฟ7 | เน8 | ||||||||||||||||||||||||
| 3 | นา1 | เอ็มจี2 | อัล3 | Si 4 | หน้า5 | เอส6 | Cl 7 | อาร์8 | ||||||||||||||||||||||||
| 4 | เค1 | แคลเซียม2 | ส.ค. 3 | ไท4 | ว5 | Cr 6 | ม.7 | เฟ8 | โค9 | นี10 | คู11 | สังกะสี12 | กา3 | Ge 4 | เนื่องจาก5 | เซ6 | บร7 | กฤษณะ8 | ||||||||||||||
| 5 | อาร์บี1 | เซอร์2 | วาย3 | Zr 4 | หมายเลข5 | โม6 | ทีซี7 | รู8 | โรห์9 | พีดี10 | 11 ส.ค. | ซีดี12 | ใน3 | สน4 | สบ5 | ที6 | ฉัน7 | Xe 8 | ||||||||||||||
| 6 | ซีเอส1 | บา2 | ลา3 | ซี4 | ปริ.5 | Nd 6 | บ่าย7 โมง | สม8 | ยูอี9 | จีดี10 | ทีบี11 | วันที่12 ธันวาคม | โฮ13 | เออร์14 | ทม15 | วายบี16 | ลู่3 | เอชเอฟ4 | ตา5 | ดับเบิลยู6 | เร7 | โอเอส8 | อิร9 | ตอนที่10 | ออ11 | เอชจี12 | ทีแอล3 | พีบี4 | บิ5 | โป6 | เวลา7 โมง | อาร์เอ็น8 |
| 7 | ฟร1 | รา2 | เอค3 | ธ. 4 | ปา5 | ยู6 | เอ็นพี7 | ปู8 | ฉันอายุ9 ขวบ | 10 ซม. | เล่ม11 | ดู12 | เอส13 | เอฟเอ็ม14 | ม. 15 | หมายเลข16 | ล. 3 | อาร์เอฟ4 | ดีบี5 | ส. 6 | บีเอช7 | เอชเอส8 | มัทธิว9 | ดีเอส10 | อาร์จี11 | ซีเอ็น12 | เอ็นเอช3 | ชั้น4 | แม็ค5 | เลเวล6 | ทีเอส7 | โอจี8 |
คำอธิบายที่สมบูรณ์ต้องพิจารณาพลังงานที่จะถูกปล่อยออกมาในการสร้างสารประกอบที่มีวาเลนซ์ต่างกัน แทนที่จะพิจารณาเพียงแค่การจัดเรียงอิเล็กตรอนเพียงอย่างเดียว[ 140 ]ตัวอย่างเช่น แมกนีเซียมจะสร้างแคตไอออน Mg 2+แทนที่จะเป็น Mg +เมื่อละลายในน้ำ เนื่องจากแคตไอออนหลังจะแตกตัวเป็นแคตไอออน Mg 0และ Mg 2+ โดยอัตโนมัติ นี่เป็นเพราะเอนทาลปีของการไฮเดรชั่น (การล้อมรอบแคตไอออนด้วยโมเลกุลของน้ำ) จะเพิ่มขึ้นตามขนาดประจุและรัศมีของไอออน ใน Mg +วงโคจรชั้นนอกสุด (ซึ่งกำหนดรัศมีไอออน) ยังคงเป็น 3s ดังนั้นเอนทาลปีของการไฮเดรชั่นจึงมีขนาดเล็กและไม่เพียงพอที่จะชดเชยพลังงานที่จำเป็นในการกำจัดอิเล็กตรอน แต่การแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้งเป็น Mg 2+จะเปิดเผยซับเชลล์ 2p หลัก ทำให้เอนทาลปีของการไฮเดรชั่นมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้เกิดสารประกอบแมกนีเซียม(II) ได้ ด้วยเหตุผลที่คล้ายคลึงกัน สถานะออกซิเดชันทั่วไปของธาตุ p-block ที่หนักกว่า (ซึ่งอิเล็กตรอน ns มีพลังงานต่ำกว่า np) มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงทีละ 2 เนื่องจากจำเป็นต้องเปิดเผยซับเชลล์ภายในและลดรัศมีไอออน (เช่น Tl +เปิดเผย 6s และ Tl 3+เปิดเผย 5d ดังนั้นเมื่อแทลเลียมสูญเสียอิเล็กตรอนสองตัว มันก็มีแนวโน้มที่จะสูญเสียตัวที่สามด้วย) สามารถใช้เหตุผลที่คล้ายกันโดยอิงจากการผสมออร์บิทัลสำหรับธาตุ p-block ที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าได้[ 141 ] [ m ]
สำหรับโลหะทรานซิชัน สถานะออกซิเดชันทั่วไปมักจะอยู่ที่อย่างน้อย +2 เสมอด้วยเหตุผลที่คล้ายคลึงกัน (การเปิดเผยซับเชลล์ถัดไป) ซึ่งยังคงใช้ได้แม้กระทั่งกับโลหะที่มีการจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบ d x+1 s 1หรือ d x+2 s 0 ที่ผิดปกติ (ยกเว้นเงิน ) เนื่องจากแรงผลักระหว่างอิเล็กตรอน d หมายความว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนตัวที่สองจากซับเชลล์ s ไปยังซับเชลล์ d จะไม่เปลี่ยนแปลงพลังงานไอออนไนเซชันอย่างมีนัยสำคัญ[ 143 ]เนื่องจากการไอออนไนซ์โลหะทรานซิชันต่อไปจะไม่เปิดเผยซับเชลล์ภายในใหม่ใดๆ สถานะออกซิเดชันของพวกมันจึงมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงทีละ 1 แทน[ 141 ]โดยทั่วไปแล้วแลนทานอยด์และแอกทินอยด์ตอนปลายจะแสดงสถานะออกซิเดชันที่เสถียรที่ +3 โดยการกำจัดอิเล็กตรอน s ภายนอกและจากนั้น (โดยปกติ) อิเล็กตรอนหนึ่งตัวจากออร์บิทัล (n−2)f ซึ่งมีพลังงานคล้ายกับ ns [ 144 ]สถานะออกซิเดชันทั่วไปและสูงสุดของธาตุในบล็อก d และ f มีแนวโน้มที่จะขึ้นอยู่กับพลังงานไอออนไนเซชัน เมื่อความแตกต่างของพลังงานระหว่างออร์บิทัล (n−1)d และ ns เพิ่มขึ้นตามอนุกรมการเปลี่ยนผ่านแต่ละอนุกรม พลังงานจะเอื้อต่อการไอออนไนซ์อิเล็กตรอนต่อไปน้อยลง ดังนั้น กลุ่มโลหะทรานซิชันตอนต้นจึงมีแนวโน้มที่จะชอบสถานะออกซิเดชันที่สูงกว่า แต่สถานะออกซิเดชัน +2 จะมีเสถียรภาพมากขึ้นสำหรับกลุ่มโลหะทรานซิชันตอนปลาย สถานะออกซิเดชันอย่างเป็นทางการสูงสุดจึงเพิ่มขึ้นจาก +3 ที่จุดเริ่มต้นของแถวบล็อก d แต่ละแถว ไปเป็น +7 หรือ +8 ตรงกลาง (เช่น )แล้วลดลงเหลือ +2 ที่ตอนท้าย[ 143 ]แลนทานอยด์และแอคติไนด์ตอนปลายมักจะมีพลังงานไอออนไนเซชันที่สี่สูง ดังนั้นจึงไม่ค่อยเกินสถานะออกซิเดชัน +3 ในขณะที่แอคติไนด์ตอนต้นมีพลังงานไอออนไนเซชันที่สี่ต่ำ ดังนั้นตัวอย่างเช่น เนปทูเนียมและพลูโทเนียมจึงสามารถเข้าถึง +7 ได้[ 111 ] [ 143 ] [ 144 ]ธาตุแอคติไนด์สุดท้ายมีแนวโน้มที่จะมีสถานะออกซิเดชันต่ำกว่าธาตุแลนทานไนด์: เมนเดเลเวียมถูกรีดิวซ์เป็นสถานะ +2 ได้ง่ายกว่าธูเลียมหรือแม้แต่ยูโรเปียม (แลนทานไนด์ที่มีสถานะ +2 ที่เสถียรที่สุด เนื่องจากมีเปลือก f ที่เต็มครึ่งหนึ่ง) และโนเบเลียมมีแนวโน้มที่จะเป็น +2 มากกว่า +3 ตรงกันข้ามกับอิตเตอร์เบียม[ 54 ]
เนื่องจากธาตุในหมู่เดียวกันมีโครงสร้างอิเล็กตรอนวาเลนซ์เหมือนกัน จึงมักแสดงพฤติกรรมทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่นโลหะอัลคาไลน์ในหมู่ที่ 1 มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์เพียงตัวเดียว และจัดเป็นกลุ่มธาตุที่มีความคล้ายคลึงกันมาก คือเป็นโลหะอ่อนและไวต่อปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม มีปัจจัยหลายอย่างที่เกี่ยวข้อง และหมู่ธาตุต่างๆ มักมีความแตกต่างกันมาก ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนก็มีอิเล็กตรอนวาเลนซ์เพียงตัวเดียวและอยู่ในหมู่เดียวกับโลหะอัลคาไลน์ แต่พฤติกรรมทางเคมีของมันค่อนข้างแตกต่างกัน ธาตุเสถียรในหมู่ที่ 14ประกอบด้วยอโลหะ ( คาร์บอน ) สารกึ่งตัวนำสองชนิด ( ซิลิคอนและเจอร์มาเนียม ) และโลหะสองชนิด ( ดีบุกและตะกั่ว ) แต่พวกมันก็มีลักษณะร่วมกันคือมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์สี่ตัว[ 145 ]สิ่งนี้มักนำไปสู่ความคล้ายคลึงกันในสถานะออกซิเดชันสูงสุดและต่ำสุด (เช่นซัลเฟอร์และซีลีเนียมในหมู่ 16ต่างก็มีสถานะออกซิเดชันสูงสุด +6 เช่นในSO และSeO และสถานะออกซิเดชันต่ำสุด −2 เช่นในซัลไฟด์และซีลีไนด์ ) แต่ไม่เสมอไป (เช่นออกซิเจนไม่เป็นที่รู้จักว่ามีสถานะออกซิเดชัน +6 แม้ว่าจะอยู่ในหมู่เดียวกันกับซัลเฟอร์และซีลีเนียมก็ตาม) [ 58 ]
ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี
คุณสมบัติสำคัญอีกประการหนึ่งของธาตุคือค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี อะตอม สามารถสร้างพันธะโคเวเลนต์ระหว่างกันได้โดยการแบ่งปันอิเล็กตรอนเป็นคู่ ทำให้เกิดการทับซ้อนกันของวงโคจรวาเลนซ์ ระดับที่แต่ละอะตอมดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ที่แบ่งปันนั้นขึ้นอยู่กับค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของอะตอม[ 146 ] – แนวโน้มของอะตอมที่จะได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอน[ 32 ]อะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าจะดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ได้มากกว่า และอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่า (หรืออิเล็กโทรโพซิทีฟสูงกว่า) จะดึงดูดได้น้อยกว่า ในกรณีที่รุนแรง อิเล็กตรอนอาจถูกมองว่าถูกส่งผ่านจากอะตอมที่มีอิเล็กโทรโพซิทีฟสูงกว่าไปยังอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่าอย่างสมบูรณ์ แม้ว่านี่จะเป็นการทำให้ง่ายขึ้นก็ตาม พันธะดังกล่าวจะยึดไอออนสองตัวเข้าด้วยกัน ตัวหนึ่งเป็นบวก (ที่ให้อิเล็กตรอนไป) และอีกตัวหนึ่งเป็นลบ (ที่รับอิเล็กตรอนไว้) และเรียกว่าพันธะไอออนิก[ 32 ]
ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีขึ้นอยู่กับว่านิวเคลียสสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนคู่ได้มากน้อยเพียงใด ดังนั้นจึงแสดงการเปลี่ยนแปลงที่คล้ายคลึงกันกับคุณสมบัติอื่นๆ ที่ได้กล่าวถึงไปแล้ว กล่าวคือ ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีมีแนวโน้มลดลงเมื่อมองจากบนลงล่าง และเพิ่มขึ้นเมื่อมองจากซ้ายไปขวา โลหะอัลคาไลน์และโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธเป็นธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรโพซิทีฟสูงที่สุด ในขณะที่แคลโคเจน ฮาโลเจน และก๊าซเฉื่อยเป็นธาตุที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด[ 146 ]
โดยทั่วไปแล้วค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีจะวัดจากมาตราส่วนของพอลลิง ซึ่งอะตอมที่มีปฏิกิริยาอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด ( ฟลูออรีน ) จะมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี 4.0 และอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำที่สุด ( ซีเซียม ) จะมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี 0.79 [ 32 ]ในความเป็นจริงนีออนเป็นธาตุที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงที่สุด แต่มาตราส่วนของพอลลิงไม่สามารถวัดค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของนีออนได้ เนื่องจากนีออนไม่ได้สร้างพันธะโควาเลนต์กับธาตุส่วนใหญ่[ 147 ]
ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีของธาตุจะแตกต่างกันไปตามชนิดและจำนวนของอะตอมที่มันยึดติดอยู่ รวมถึงจำนวนอิเล็กตรอนที่มันสูญเสียไปแล้วด้วย กล่าวคือ อะตอมจะมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงขึ้นเมื่อมันสูญเสียอิเล็กตรอนไปมากขึ้น[ 146 ]บางครั้งสิ่งนี้ก็สร้างความแตกต่างอย่างมาก เช่น ตะกั่วในสถานะออกซิเดชัน +2 มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี 1.87 ตามมาตราพอลลิง ในขณะที่ตะกั่วในสถานะออกซิเดชัน +4 มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี 2.33 [ 148 ]
ความเป็นโลหะ
สารอย่างง่ายคือสารที่เกิดจากอะตอมของธาตุเคมีเพียงชนิดเดียว สารอย่างง่ายของอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูงกว่ามักจะแบ่งปันอิเล็กตรอน (สร้างพันธะโคเวเลนต์) ระหว่างกัน พวกมันก่อตัวเป็นโมเลกุลขนาดเล็ก (เช่น ไฮโดรเจนหรือออกซิเจน) หรือโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ยืดออกไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด (เช่น คาร์บอนหรือซิลิคอน) ก๊าซเฉื่อยจะคงอยู่เป็นอะตอมเดี่ยว เนื่องจากมีเปลือกอิเล็กตรอนเต็มแล้ว[ 32 ]สารที่ประกอบด้วยโมเลกุลหรืออะตอมเดี่ยวที่แยกจากกันจะยึดติดกันด้วยแรงดึงดูดที่อ่อนกว่าระหว่างโมเลกุล เช่นแรงกระจายตัวของลอนดอน : เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ภายในโมเลกุล พวกมันจะสร้างความไม่สมดุลของประจุไฟฟ้าชั่วขณะ ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดความไม่สมดุลที่คล้ายกันในโมเลกุลใกล้เคียงและสร้างการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ประสานกันในโมเลกุลข้างเคียงจำนวนมาก[ 150 ]
อะตอมที่มีประจุบวกมากกว่ามักจะสูญเสียอิเล็กตรอน ทำให้เกิด "ทะเล" ของอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบแคตไอออน[ 32 ]วงโคจรชั้นนอกของอะตอมหนึ่งจะซ้อนทับกันเพื่อแบ่งปันอิเล็กตรอนกับอะตอมข้างเคียงทั้งหมด ทำให้เกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ของวงโคจรโมเลกุลที่แผ่ขยายไปทั่วอะตอมทั้งหมด[ 151 ] "ทะเล" ที่มีประจุลบนี้จะดึงดูดไอออนทั้งหมดและยึดพวกมันไว้ด้วยกันในพันธะโลหะธาตุที่สร้างพันธะดังกล่าว มักเรียกว่าโลหะส่วนธาตุที่ไม่สร้างพันธะดังกล่าว มักเรียกว่าอโลหะ[ 32 ] ธาตุบางชนิดสามารถสร้างสารประกอบอย่างง่ายหลายชนิดที่มีโครงสร้างแตกต่างกันได้ ซึ่งเรียกว่าอัลโลโทรปตัวอย่างเช่นเพชรและกราไฟต์เป็นอัลโลโทรปสองชนิดของคาร์บอน[ 145 ] [ n ]
คุณสมบัติความเป็นโลหะของธาตุสามารถทำนายได้จากคุณสมบัติทางอิเล็กตรอน เมื่อออร์บิทัลอะตอมซ้อนทับกันในระหว่างการเกิดพันธะโลหะหรือพันธะโคเวเลนต์ พวกมันจะสร้างออร์บิทัลโมเลกุล แบบพันธะและแบบต้านพันธะ ที่มีความจุเท่ากัน โดยออร์บิทัลแบบต้านพันธะจะมีพลังงานสูงกว่า คุณสมบัติการเกิดพันธะสุทธิเกิดขึ้นเมื่อมีอิเล็กตรอนในออร์บิทัลแบบพันธะมากกว่าในออร์บิทัลแบบต้านพันธะ ดังนั้นการเกิดพันธะโลหะจึงเป็นไปได้เมื่อจำนวนอิเล็กตรอนที่กระจายตัวโดยแต่ละอะตอมน้อยกว่าสองเท่าของจำนวนออร์บิทัลที่ก่อให้เกิดการซ้อนทับกัน นี่คือสถานการณ์สำหรับธาตุในหมู่ที่ 1 ถึง 13 พวกมันมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์น้อยเกินไปที่จะสร้างโครงสร้างโคเวเลนต์ขนาดใหญ่ที่อะตอมทั้งหมดอยู่ในตำแหน่งที่เทียบเท่ากัน ดังนั้นเกือบทั้งหมดจึงมีคุณสมบัติเป็นโลหะ ข้อยกเว้นคือไฮโดรเจนและโบรอน ซึ่งมีพลังงานไอออนไนเซชันสูงเกินไป ดังนั้นไฮโดรเจนจึงสร้างโมเลกุลโคเวเลนต์ H₂ โบรอนสร้างโครงสร้างโคเวเลนต์ขนาดใหญ่โดยอิงจากคลัสเตอร์ ไอโคซาเฮดรอล ในโลหะ ออร์บิทัลพันธะและออร์บิทัลต้านพันธะมีพลังงานทับซ้อนกัน ทำให้เกิดแถบเดียวที่อิเล็กตรอนสามารถไหลผ่านได้อย่างอิสระ ทำให้เกิดการนำไฟฟ้า[ 153 ]
ในกลุ่มที่ 14 ทั้งพันธะโลหะและพันธะโควาเลนต์สามารถเกิดขึ้นได้ ในผลึกเพชร พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมคาร์บอนมีความแข็งแรง เนื่องจากมีรัศมีอะตอมเล็ก ทำให้แกนกลางยึดอิเล็กตรอนไว้ได้มากขึ้น ดังนั้น ออร์บิทัลพันธะที่เกิดขึ้นจึงมีพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัลต้านพันธะมาก และไม่มีการทับซ้อนกัน ทำให้การนำไฟฟ้าเป็นไปไม่ได้ คาร์บอนจึงเป็นอโลหะ อย่างไรก็ตาม พันธะโควาเลนต์จะอ่อนลงสำหรับอะตอมที่ใหญ่ขึ้น และช่องว่างพลังงานระหว่างออร์บิทัลพันธะและออร์บิทัลต้านพันธะจะลดลง ดังนั้น ซิลิคอนและเจอร์มาเนียมจึงมีช่องว่างแถบพลังงาน ที่เล็กกว่า และเป็นสารกึ่งตัวนำในสภาวะแวดล้อมปกติ อิเล็กตรอนสามารถข้ามช่องว่างได้เมื่อถูกกระตุ้นด้วยความร้อน (โบรอนก็เป็นสารกึ่งตัวนำในสภาวะแวดล้อมปกติเช่นกัน) ช่องว่างแถบพลังงานจะหายไปในดีบุก ทำให้ดีบุกและตะกั่วกลายเป็นโลหะ[ 153 ]เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อโลหะทั้งหมดจะพัฒนาคุณสมบัติกึ่งตัวนำบางอย่าง ในระดับมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของช่องว่างแถบพลังงาน ดังนั้น โลหะและอโลหะจึงสามารถแยกแยะได้จากความขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของค่าการนำไฟฟ้า: ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น (เนื่องจากการเคลื่อนที่ทางความร้อนทำให้อิเล็กตรอนไหลได้อย่างอิสระได้ยากขึ้น) ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้าของอโลหะจะเพิ่มขึ้น (เนื่องจากอิเล็กตรอนจำนวนมากขึ้นอาจถูกกระตุ้นให้ข้ามช่องว่างได้) [ 154 ]
ธาตุในหมู่ 15 ถึง 17 มีอิเล็กตรอนมากเกินไปที่จะสร้างโมเลกุลโคเวเลนต์ขนาดใหญ่ที่ยืดออกไปในทั้งสามมิติ สำหรับธาตุที่เบากว่า พันธะในโมเลกุลไดอะตอมิกขนาดเล็กนั้นแข็งแรงมากจนไม่เอื้อต่อสถานะควบแน่น ดังนั้นไนโตรเจน (N₂ , ออกซิเจน (O₂ , ฟอสฟอรัสขาวและสารหนูเหลือง (P₄ As₄ , ซัลเฟอร์และซีลีเนียมแดง (S₈ Se₈ และฮาโลเจนที่เสถียร (F₂ Cl₂ Br₂ I₂ จึงสามารถสร้างโมเลกุลโคเวเลนต์ที่มีอะตอมน้อยได้อย่างง่ายดาย ส่วนธาตุที่หนักกว่ามักจะสร้างสายโซ่ยาว (เช่น ฟอสฟอรัสแดง ซีลีเนียมเทา เทลลูเรียม) หรือโครงสร้างแบบชั้น (เช่น คาร์บอนในรูปกราไฟต์ ฟอสฟอรัสดำ สารหนูเทา แอนติมอนี บิสมัท) ที่ยืดออกไปเพียงหนึ่งหรือสองมิติเท่านั้น แทนที่จะเป็นสามมิติ โครงสร้างทั้งสองชนิดสามารถพบได้ในรูปของอัลโลโทรปของฟอสฟอรัส อาร์เซนิก และซีลีเนียม แม้ว่าอัลโลโทรปแบบสายยาวจะมีเสถียรภาพมากกว่าในทั้งสามชนิดก็ตาม เนื่องจากโครงสร้างเหล่านี้ไม่ได้ใช้ออร์บิทัลทั้งหมดในการสร้างพันธะ จึงทำให้เกิดแถบพันธะ แถบไม่พันธะ และแถบต้านพันธะ ตามลำดับพลังงานที่เพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกันกับหมู่ 14 ช่องว่างของแถบพลังงานจะหดตัวลงสำหรับธาตุที่หนักกว่า และการเคลื่อนที่อย่างอิสระของอิเล็กตรอนระหว่างสายโซ่หรือชั้นต่างๆ ก็เป็นไปได้ ดังนั้น ตัวอย่างเช่น ฟอสฟอรัสสีดำ อาร์เซนิกสีดำ ซีลีเนียมสีเทา เทลลูเรียม และไอโอดีน เป็นสารกึ่งตัวนำ อาร์เซนิกสีเทา แอนติโมนี และบิสมัท เป็นโลหะกึ่งตัวนำ (แสดงการนำไฟฟ้าแบบกึ่งโลหะ โดยมีการทับซ้อนของแถบพลังงานน้อยมาก) และโพโลเนียมและแอสตาทีนน่าจะเป็นโลหะแท้[ 153 ]สุดท้าย ธาตุหมู่ 18 ตามธรรมชาติทั้งหมดจะคงอยู่ในรูปของอะตอมเดี่ยว[ 153 ] [ o ]
เส้นแบ่งระหว่างโลหะและอโลหะโดยประมาณเป็นเส้นทแยงมุมจากบนซ้ายไปล่างขวา โดยอนุกรมการเปลี่ยนผ่านจะปรากฏอยู่ทางซ้ายของเส้นทแยงมุมนี้ (เนื่องจากมีวงโคจรที่พร้อมสำหรับการซ้อนทับจำนวนมาก) ซึ่งเป็นไปตามที่คาดไว้ เนื่องจากความเป็นโลหะมักมีความสัมพันธ์กับความเป็นบวกทางไฟฟ้าและความเต็มใจที่จะสูญเสียอิเล็กตรอน ซึ่งเพิ่มขึ้นจากขวาไปซ้ายและจากบนลงล่าง ดังนั้นโลหะจึงมีจำนวนมากกว่าอโลหะมาก ธาตุที่อยู่ใกล้เส้นแบ่งนั้นยากต่อการจัดประเภท: พวกมันมักมีคุณสมบัติที่อยู่ระหว่างโลหะและอโลหะ และอาจมีคุณสมบัติบางอย่างที่เป็นลักษณะเฉพาะของทั้งสองอย่าง พวกมันมักถูกเรียกว่ากึ่งโลหะหรือโลหะกึ่ง ตัวนำ [ 32 ]คำว่า "กึ่งโลหะ" ที่ใช้ในความหมายนี้ไม่ควรสับสนกับความหมายทางกายภาพที่เข้มงวดซึ่งเกี่ยวข้องกับโครงสร้างแถบพลังงาน: บิสมัทเป็นกึ่งโลหะทางกายภาพ แต่โดยทั่วไปนักเคมีถือว่าเป็นโลหะ[ 156 ]
ตารางต่อไปนี้พิจารณาถึงอัลโลโทรปที่เสถียรที่สุดภายใต้สภาวะมาตรฐาน ธาตุที่มีสีเหลืองก่อตัวเป็นสารอย่างง่ายที่มีลักษณะเฉพาะด้วยพันธะโลหะ ธาตุที่มีสีฟ้าอ่อนก่อตัวเป็นโครงสร้างโคเวเลนต์แบบเครือข่ายขนาดใหญ่ ในขณะที่ธาตุที่มีสีน้ำเงินเข้มก่อตัวเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่มีพันธะโคเวเลนต์ซึ่งยึดติดกันด้วยแรงแวนเดอร์วาลส์ ที่อ่อนกว่า ก๊าซเฉื่อยมีสีม่วง: โมเลกุลของพวกมันเป็นอะตอมเดี่ยวและไม่มีพันธะโคเวเลนต์เกิดขึ้น ช่องสีเทาแสดงถึงธาตุที่ยังไม่ได้เตรียมในปริมาณที่เพียงพอสำหรับอัลโลโทรปที่เสถียรที่สุดที่จะมีลักษณะเฉพาะในลักษณะนี้ การพิจารณาทางทฤษฎีและหลักฐานการทดลองในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าธาตุทั้งหมดเหล่านั้นจะกลายเป็นโลหะหากพวกมันสามารถก่อตัวเป็นเฟสควบแน่นได้[ 153 ]ยกเว้นอาจจะเป็นโอแกเนสซอน[ 157 ] [ p ]
โลหะโครงข่ายพันธะโควาเลนต์พันธะโควาเลนต์ระดับโมเลกุลอะตอมเดี่ยวไม่ทราบสีพื้นหลังแสดงถึงพันธะของสารประกอบอย่างง่ายในตารางธาตุหากมีหลายไอโซเมอร์ จะพิจารณาไอโซเมอร์ที่มีเสถียรภาพมากที่สุด
เหล็ก โลหะ
กำมะถัน อโลหะ
สารหนู ธาตุที่มักถูกเรียกว่ากึ่งโลหะหรือโลหะกึ่งตัวนำ
โดยทั่วไป โลหะจะมีลักษณะมันวาวและหนาแน่น[ 32 ]โดยปกติจะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงเนื่องจากความแข็งแรงของพันธะโลหะ และมักจะอ่อนตัวและยืดหยุ่นได้ (ยืดและขึ้นรูปได้ง่าย) เพราะอะตอมสามารถเคลื่อนที่สัมพันธ์กันได้โดยไม่ทำให้พันธะโลหะแตก[ 167 ]โลหะนำไฟฟ้าได้เพราะอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในทั้งสามมิติ ในทำนองเดียวกัน โลหะนำความร้อนได้ ซึ่งถูกถ่ายโอนโดยอิเล็กตรอนในรูปของพลังงานจลน์ ส่วนเกิน : พวกมันเคลื่อนที่เร็วขึ้น คุณสมบัติเหล่านี้ยังคงอยู่ในสถานะของเหลว แม้ว่าโครงสร้างผลึกจะถูกทำลายเมื่อหลอมเหลว แต่อะตอมยังคงสัมผัสกันและพันธะโลหะยังคงอยู่ แม้ว่าจะอ่อนลงก็ตาม[ 167 ]โลหะมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับอโลหะ[ 32 ]ข้อยกเว้นบางประการสามารถพบได้ในข้อสรุปทั่วไปเหล่านี้ เช่น เบริลเลียม โครเมียม[ 85 ]แมงกานีส[ 168 ]แอนติโมนี[ 169 ]บิสมัท[ 170 ]และยูเรเนียมนั้นเปราะ (ไม่ใช่รายการที่ครบถ้วน) [ 85 ]โครเมียมนั้นแข็งมาก[ 171 ]แกลเลียม รูบิเดียม ซีเซียม และปรอทเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้องหรือใกล้เคียง[ q ]และโลหะมีค่าเช่นทองคำนั้นเฉื่อยทางเคมีมาก[ 172 ] [ 173 ]
อโลหะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน อโลหะที่ก่อตัวเป็นผลึกโคเวเลนต์ขนาดใหญ่จะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูง เนื่องจากต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการเอาชนะพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรง อโลหะที่ก่อตัวเป็นโมเลกุลแยกกันจะยึดติดกันโดยส่วนใหญ่ด้วยแรงกระจายตัว ซึ่งเอาชนะได้ง่ายกว่า ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำกว่า[ 174 ]และหลายชนิดเป็นของเหลวหรือก๊าซที่อุณหภูมิห้อง[ 32 ]อโลหะมักมีลักษณะทึบแสง มีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับโลหะ ยกเว้นก๊าซเฉื่อยซึ่งไม่ทำปฏิกิริยากับสารส่วนใหญ่[ 32 ]พวกมันเปราะเมื่อเป็นของแข็งเนื่องจากอะตอมของพวกมันยึดติดกันแน่น พวกมันมีความหนาแน่นน้อยและนำไฟฟ้าได้ไม่ดี[ 32 ]เนื่องจากไม่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่[ 175 ]ใกล้กับเส้นแบ่ง ช่องว่างของแถบพลังงานมีขนาดเล็ก ดังนั้นธาตุหลายชนิดในบริเวณนั้นจึงเป็นสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน เจอร์มาเนียม[ 175 ]และเทลลูเรียม[ 153 ]ซีลีเนียมมีทั้งอัลโลโทรปสีเทาที่เป็นสารกึ่งตัวนำและอัลโลโทรปสีแดงที่เป็นฉนวน ส่วนอาร์เซนิกมีอัลโลโทรปสีเทาที่เป็นโลหะ อัลโลโทรปสีดำที่เป็นสารกึ่งตัวนำ และอัลโลโทรปสีเหลืองที่เป็นฉนวน (แม้ว่าอัลโลโทรปสีเหลืองจะไม่เสถียรในสภาวะแวดล้อมปกติ) [ 154 ]อีกครั้งหนึ่งก็มีข้อยกเว้น ตัวอย่างเช่น เพชรมีค่าการนำความร้อนสูงสุดในบรรดาวัสดุที่รู้จักทั้งหมด สูงกว่าโลหะใดๆ[ 176 ]
เป็นเรื่องปกติที่จะกำหนดกลุ่มของโลหะกึ่งโลหะที่อยู่ระหว่างโลหะและอโลหะ เนื่องจากธาตุในบริเวณนั้นมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีอยู่ตรงกลาง[ 32 ]อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัดในเอกสารทางวิชาการว่าควรกำหนดธาตุใดเป็นกลุ่มดังกล่าว เมื่อมีการใช้หมวดหมู่ดังกล่าว ซิลิคอน เจอร์มาเนียม อาร์เซนิก และเทลลูเรียม มักจะถูกรวมอยู่ด้วยเสมอ และโบรอนและแอนติโมนีก็มักจะถูกรวมอยู่ด้วย แต่แหล่งข้อมูลส่วนใหญ่รวมธาตุอื่นๆ ด้วย โดยไม่มีข้อตกลงว่าควรเพิ่มธาตุใดเข้าไป และบางแหล่งก็ตัดออกจากรายการนี้แทน[ r ]ตัวอย่างเช่น แอนติโมนีแตกต่างจากธาตุอื่นๆ ที่โดยทั่วไปถือว่าเป็นโลหะกึ่งโลหะหรืออโลหะ รูปแบบที่เสถียรเพียงรูปแบบเดียวของแอนติโมนีมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าแบบโลหะ ยิ่งไปกว่านั้น ธาตุนี้มีลักษณะคล้ายกับบิสมัท และโดยทั่วไปแล้วคล้ายกับโลหะ p-block อื่นๆ ในพฤติกรรมทางกายภาพและทางเคมี บนพื้นฐานนี้ ผู้เขียนบางคนจึงโต้แย้งว่าควรจัดประเภทเป็นโลหะมากกว่าโลหะกึ่งโลหะ[ 85 ] [ 181 ] [ 154 ]ในทางกลับกัน ซีลีเนียมมีคุณสมบัติกึ่งตัวนำบางอย่างในรูปแบบที่เสถียรที่สุด (แม้ว่าจะมีอัลโลโทรปที่เป็นฉนวนด้วย) และมีการโต้แย้งว่าควรพิจารณาว่าเป็นโลหะกึ่งโลหะ[ 181 ] – แม้ว่าสถานการณ์นี้จะใช้ได้กับฟอสฟอรัสด้วย[ 154 ]ซึ่งเป็นโลหะกึ่งโลหะที่หายากกว่ามาก[ r ]
การแสดงออกเพิ่มเติมของความเป็นคาบ
มีความสัมพันธ์อื่นๆ อีกหลายอย่างในตารางธาตุระหว่างธาตุที่ไม่ได้อยู่ในหมู่เดียวกัน เช่นความสัมพันธ์แบบทแยงมุมระหว่างธาตุที่อยู่ติดกันในแนวทแยงมุม (เช่น ลิเธียมและแมกนีเซียม) [ 122 ]นอกจากนี้ยังสามารถพบความคล้ายคลึงกันระหว่างหมู่หลักและหมู่โลหะทรานซิชัน หรือระหว่างแอกทินอยด์ตอนต้นและโลหะทรานซิชันตอนต้น เมื่อธาตุเหล่านั้นมีจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์เท่ากัน ดังนั้นยูเรเนียมจึงค่อนข้างคล้ายกับโครเมียมและทังสเตนในหมู่ 6 [ 122 ]เนื่องจากทั้งสามธาตุมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์หก ตัว [ 182 ]ความสัมพันธ์ระหว่างธาตุที่มีจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์เท่ากันแต่มีชนิดของวงโคจรวาเลนซ์ต่างกันเรียกว่าความสัมพันธ์รองหรือไอโซโดเนอร์: โดยปกติแล้วจะมีสถานะออกซิเดชันสูงสุดเท่ากัน แต่สถานะออกซิเดชันต่ำสุดจะไม่เท่ากัน ตัวอย่างเช่น คลอรีนและแมงกานีสต่างก็มีสถานะออกซิเดชันสูงสุดที่ +7 (เช่นCl₂O₇ Mn₂O₇ ) แต่สถานะออกซิเดชันต่ำสุดของพวกมันคือ -1 (เช่นHCl ) และ -3 (K₃ (CO) ลำดับ ธาตุที่มีจำนวนช่องว่างวาเลนซ์เท่า กัน แต่ จำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์ต่างกันจะมีความสัมพันธ์กันด้วยความสัมพันธ์แบบตติยภูมิหรือไอโซแอคเซปเตอร์: โดยปกติแล้วพวกมันจะมีสถานะออกซิเดชันต่ำสุดที่คล้ายกันแต่ไม่ใช่สูงสุด ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนและคลอรีนต่างก็มีสถานะออกซิเดชันต่ำสุดที่ -1 (ในไฮไดรด์คลอไรด์ ) แต่สถานะออกซิเดชันสูงสุดของไฮโดรเจนคือ +1 (เช่นH₂O )ในขณะที่ของคลอรีนคือ +7 [ 58 ]
คุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ของธาตุต่างๆ แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบตามกฎคาบ เช่นจุดหลอมเหลวจุดเดือดความร้อนของการหลอมเหลวความร้อนของการระเหยพลังงานการแตกตัวเป็นอะตอมและอื่นๆ การเปลี่ยนแปลงเป็นคาบที่คล้ายกันนี้ปรากฏในสารประกอบของธาตุต่างๆ ซึ่งสามารถสังเกตได้จากการเปรียบเทียบไฮไดรด์ ออกไซด์ ซัลไฟด์ เฮไลด์ และอื่นๆ[ 146 ]คุณสมบัติทางเคมีนั้นยากที่จะอธิบายในเชิงปริมาณ แต่ก็แสดงให้เห็นถึงความเป็นคาบของตัวเองเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงใน คุณสมบัติ ความเป็นกรดและเบสของธาตุและสารประกอบ ความเสถียรของสารประกอบ และวิธีการแยกธาตุ[ 114 ]ความเป็นคาบถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการทำนายคุณสมบัติของธาตุใหม่และสารประกอบใหม่ที่ไม่รู้จัก และเป็นหัวใจสำคัญของเคมีสมัยใหม่[ 183 ]
การจำแนกประเภทของธาตุ
มีการใช้คำศัพท์หลายคำในเอกสารเพื่ออธิบายกลุ่มของธาตุที่มีพฤติกรรมคล้ายคลึงกัน ชื่อกลุ่ม เช่นโลหะอัลคาไลโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธไตรเอลเตตเรล พนิคโตเจนแช ล โคเจนฮาโลเจนและก๊าซเฉื่อยได้รับการยอมรับจาก IUPAC ส่วนกลุ่มอื่นๆ สามารถอ้างอิงได้ตามหมายเลขหรือตามธาตุตัวแรก (เช่น กลุ่มที่ 6 คือกลุ่มโครเมียม) [ 22 ] [ 184 ]บางคนแบ่งธาตุ p-block ตั้งแต่กลุ่มที่ 13 ถึง 16 ตามความเป็นโลหะ[ 179 ] [ 177 ]แม้ว่าจะไม่มีคำจำกัดความของ IUPAC หรือฉันทามติที่แม่นยำเกี่ยวกับธาตุใดควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นโลหะ อโลหะ หรือกึ่งโลหะ (บางครั้งเรียกว่าโลหะกึ่ง) [ 179 ] [ 177 ] [ 22 ]ยังไม่มีฉันทามติว่าควรเรียกโลหะที่ตามหลังโลหะทรานซิชันว่าอย่างไร โดยโลหะหลังทรานซิชันและโลหะด้อยคุณภาพเป็นหนึ่งในความเป็นไปได้ที่เคยใช้กันมาแล้ว เอกสารทางวิชาการขั้นสูงบางเล่มไม่รวมธาตุในหมู่ 12 ไว้ในกลุ่มโลหะทรานซิชันเนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกันอย่างมากในบางครั้ง แต่นี่ไม่ใช่แนวปฏิบัติสากล[ 185 ]และปัจจุบัน IUPAC ยังไม่ได้กล่าวถึงว่าเป็นสิ่งที่อนุญาตใน หลักการตั้งชื่อ ทางเคมี[ 186 ]
แลนทานอยด์ถือเป็นธาตุ La–Lu ซึ่งมีความคล้ายคลึงกันมาก ในอดีตมีเพียง Ce–Lu เท่านั้น แต่แลนทานัมถูกรวมเข้ามาด้วยตามการใช้งานทั่วไป[ 22 ]ธาตุหายาก (หรือโลหะหายาก) เพิ่มสแกนเดียมและอิตเทรียมเข้าไปในกลุ่มแลนทานอยด์[ 22 ]แอคติไนด์ถือเป็นธาตุ Ac–Lr (ในอดีตคือ Th–Lr) [ 22 ]แม้ว่าความแปรผันของคุณสมบัติในกลุ่มนี้จะมากกว่าในกลุ่มแลนทานอยด์มาก[ 52 ] IUPAC แนะนำให้ใช้ชื่อแลนทานอยด์และแอคติอยด์เพื่อหลีกเลี่ยงความกำกวม เนื่องจากคำต่อท้าย -ide มักหมายถึงไอออนลบ อย่างไรก็ตามแลนทานอยด์และแอคติไนด์ยังคงใช้กันทั่วไป[ 22 ]ด้วยการยอมรับที่เพิ่มขึ้นของลูเทเซียมและลอว์เรนเซียมในฐานะธาตุ d-block ผู้เขียนบางคนจึงเริ่มกำหนดแลนทานอยด์เป็น La–Yb และแอคติไนด์เป็น Ac–No ซึ่งตรงกับ f-block [ 57 ] [ 25 ] [ 187 ] [ 188 ] [ 189 ] [ 190 ]ทรานส์แอคติไนด์หรือธาตุหนักยิ่งยวดเป็นธาตุที่มีอายุสั้นกว่าแอคติไนด์ โดยเริ่มจากลอว์เรนเซียมหรือรัทเทอร์ฟอร์เดียม (ขึ้นอยู่กับว่าแอคติไนด์สิ้นสุดที่ใด) [ 190 ] [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ] [ 194 ]
มีการจัดหมวดหมู่อีกมากมายและถูกนำมาใช้ตามสาขาวิชาต่างๆ ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์ โลหะถูกนิยามว่าเป็นธาตุใดๆ ที่มีเลขอะตอมมากกว่า 2 กล่าวคือ ธาตุใดๆ ก็ตามยกเว้นไฮโดรเจนและฮีเลียม[ 195 ]คำว่า "กึ่งโลหะ" มีความหมายแตกต่างกันในทางฟิสิกส์และทางเคมี บิสมัทเป็นกึ่งโลหะตามนิยามทางฟิสิกส์ แต่นักเคมีโดยทั่วไปถือว่าเป็นโลหะ[ 196 ]มีคำศัพท์บางคำที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่ไม่มีนิยามที่เป็นทางการมากนัก เช่น " โลหะหนัก " ซึ่งได้รับนิยามที่หลากหลายมากจนถูกวิพากษ์วิจารณ์ว่า "แทบจะไม่มีความหมาย" [ 197 ]
ขอบเขตของคำศัพท์แตกต่างกันอย่างมากระหว่างผู้เขียน ตัวอย่างเช่น ตาม IUPAC ก๊าซเฉื่อยครอบคลุมทั้งกลุ่ม รวมถึงธาตุหนักยิ่งยวดที่มีกัมมันตรังสีสูงอย่างโอแกเนสซอน[ 198 ]อย่างไรก็ตาม ในหมู่ผู้เชี่ยวชาญด้านธาตุหนักยิ่งยวด มักจะไม่ทำเช่นนั้น ในกรณีนี้ "ก๊าซเฉื่อย" มักหมายถึงพฤติกรรมที่ไม่ทำปฏิกิริยาของธาตุที่เบากว่าในกลุ่ม เนื่องจากการคำนวณโดยทั่วไปคาดการณ์ว่าโอแกเนสซอนไม่ควรเฉื่อยเป็นพิเศษเนื่องจากผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ และอาจไม่ใช่ก๊าซที่อุณหภูมิห้องด้วยซ้ำหากสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก สถานะของมันในฐานะก๊าซเฉื่อยจึงมักถูกตั้งคำถามในบริบทนี้[ 199 ]นอกจากนี้ บางครั้งยังพบความแตกต่างในระดับประเทศ เช่น ในญี่ปุ่น โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธมักไม่รวมเบริลเลียมและแมกนีเซียม เนื่องจากพฤติกรรมของพวกมันแตกต่างจากโลหะกลุ่ม 2 ที่หนักกว่า[ 200 ]
ประวัติศาสตร์
ประวัติศาสตร์ยุคแรก
ในปี ค.ศ. 1817 โยฮันน์ โวล์ฟกัง โดเบอไรเนอร์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้เริ่มต้นความพยายามครั้งแรกๆ ในการจัดกลุ่มธาตุ[ 201 ]ในปี ค.ศ. 1829 เขาพบว่าเขาสามารถจัดกลุ่มธาตุบางชนิดเป็นกลุ่มละสามธาตุ โดยที่สมาชิกในแต่ละกลุ่มมีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกัน เขาเรียกกลุ่มเหล่านี้ว่าไตรแอด [ 202 ] [ 203 ] คลอรีนโบรมีน และไอโอดีน รวมกันเป็นไตรแอด เช่นเดียวกับแคลเซียม สตรอนเทียม และแบเรียม ลิเธียม โซเดียม และโพแทสเซียม และซัลเฟอร์ ซีลีเนียม และเทลลูเรียม[ 204 ]นักเคมีหลายคนได้สานต่องานของเขาและสามารถระบุความสัมพันธ์ระหว่างกลุ่มธาตุเล็กๆ ได้มากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม พวกเขายังไม่สามารถสร้างแผนผังเดียวที่ครอบคลุมทุกกลุ่มได้[ 205 ]
จอห์น นิวแลนด์ตีพิมพ์จดหมายในChemical Newsในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2406 เกี่ยวกับความเป็นคาบในหมู่ธาตุเคมี[ 206 ]ในปี พ.ศ. 2407 นิวแลนด์ตีพิมพ์บทความในChemical Newsแสดงให้เห็นว่าหากจัดเรียงธาตุตามลำดับน้ำหนักอะตอม ธาตุที่มีหมายเลขต่อเนื่องกันมักจะอยู่ในหมู่เดียวกันหรืออยู่ในตำแหน่งที่คล้ายกันในหมู่ที่แตกต่างกัน และเขาชี้ให้เห็นว่าธาตุที่แปดที่เริ่มต้นจากธาตุที่กำหนดในลำดับนี้เป็นการทำซ้ำของธาตุแรก เหมือนกับโน้ตตัวที่แปดของอ็อกเทฟในดนตรี (กฎของอ็อกเทฟ) [ 206 ]อย่างไรก็ตาม สูตรของนิวแลนด์ใช้ได้ดีเฉพาะกับธาตุในหมู่หลักเท่านั้น และพบปัญหาอย่างร้ายแรงกับธาตุอื่นๆ[ 58 ]
นักเคมีชาวเยอรมันLothar Meyerสังเกตเห็นลำดับของคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพที่คล้ายคลึงกันซึ่งปรากฏซ้ำกันเป็นระยะๆ ตามที่เขากล่าว หากน้ำหนักอะตอมถูกพล็อตเป็นแกนตั้ง (เช่น แนวตั้ง) และปริมาตรอะตอมเป็นแกนนอน (เช่น แนวนอน) เส้นโค้งจะมีค่าสูงสุดและต่ำสุดเป็นชุดๆ ธาตุ ที่มีประจุบวก มากที่สุด จะปรากฏที่จุดสูงสุดของเส้นโค้งตามลำดับน้ำหนักอะตอม ในปี 1864 หนังสือของเขาได้รับการตีพิมพ์ ซึ่งมีตารางธาตุฉบับแรกๆ ที่ประกอบด้วยธาตุ 28 ชนิด และจัดกลุ่มธาตุออกเป็นหกกลุ่มตามค่าวาเลนซ์ซึ่งเป็นครั้งแรกที่มีการจัดกลุ่มธาตุตามค่าวาเลนซ์ งานเกี่ยวกับการจัดเรียงธาตุตามน้ำหนักอะตอมนั้นก่อนหน้านี้ติดขัดเนื่องจากการวัดน้ำหนักอะตอมที่ไม่แม่นยำ[ 207 ]ในปี 1868 เขาได้แก้ไขตารางของเขา แต่การแก้ไขนี้ได้รับการตีพิมพ์เป็นฉบับร่างหลังจากที่เขาเสียชีวิตแล้ว[ 208 ]
เมนเดเลฟ
ความก้าวหน้าครั้งสำคัญมาจากนักเคมีชาวรัสเซียดมิทรี เมนเดเลฟแม้ว่านักเคมีคนอื่นๆ (รวมถึงเมเยอร์) จะค้นพบระบบตารางธาตุแบบอื่นๆ ในเวลาเดียวกัน แต่เมนเดเลฟเป็นผู้ที่ทุ่มเทให้กับการพัฒนาและปกป้องระบบของเขามากที่สุด และเป็นระบบของเขาที่มีผลกระทบต่อชุมชนวิทยาศาสตร์มากที่สุด[ 209 ]ในวันที่ 17 กุมภาพันธ์ 1869 (1 มีนาคม 1869 ตามปฏิทินเกรกอเรียน) เมนเดเลฟเริ่มจัดเรียงธาตุและเปรียบเทียบตามน้ำหนักอะตอม เขาเริ่มต้นด้วยธาตุเพียงไม่กี่ชนิด และตลอดทั้งวัน ระบบของเขาก็เติบโตขึ้นจนครอบคลุมธาตุที่รู้จักส่วนใหญ่ หลังจากที่เขาพบการจัดเรียงที่สอดคล้องกัน ตารางที่พิมพ์ของเขาปรากฏในเดือนพฤษภาคม 1869 ในวารสารของสมาคมเคมีรัสเซีย[ 210 ]เมื่อธาตุดูเหมือนจะไม่เข้ากับระบบ เขาก็คาดการณ์อย่างกล้าหาญว่าค่าเวเลนซีหรือน้ำหนักอะตอมอาจวัดไม่ถูกต้อง หรืออาจมีธาตุที่หายไปซึ่งยังไม่ถูกค้นพบ[ 58 ]ในปี พ.ศ. 2414 เมนเดเลฟได้ตีพิมพ์บทความยาวฉบับหนึ่ง ซึ่งรวมถึงตารางธาตุฉบับปรับปรุงใหม่ของเขา ที่ทำให้การทำนายธาตุที่ไม่รู้จักของเขาชัดเจนขึ้น เมนเดเลฟทำนายคุณสมบัติของธาตุที่ไม่รู้จักสามชนิดนี้โดยละเอียด ได้แก่ ธาตุโฮโมล็อกที่หนักกว่าของโบรอน อะลูมิเนียม และซิลิคอน ซึ่งในขณะนั้นยังไม่มีอยู่ เขาตั้งชื่อธาตุเหล่านี้ว่า เอกะ-โบรอน เอกะ-อะลูมิเนียม และเอกะ-ซิลิคอน (“เอกะ” เป็นภาษาสันสกฤตแปลว่า “หนึ่ง”) [ 210 ] [ 211 ] : 45 ในปี พ.ศ. 2418 นักเคมีชาวฝรั่งเศสPaul-Émile Lecoq de Boisbaudranซึ่งทำงานโดยไม่ทราบการทำนายของเมนเดเลฟ ได้ค้นพบธาตุใหม่ในตัวอย่างแร่สฟาเลอไรต์และตั้งชื่อว่าแกลเลียม เขาแยกธาตุนี้ออกมาและเริ่มกำหนดคุณสมบัติของมัน เมนเดเลฟ เมื่ออ่านงานตีพิมพ์ของเดอ บัวส์โบดรันแล้ว จึงส่งจดหมายอ้างว่าแกลเลียมคือเอกะ-อะลูมิเนียมที่เขาทำนายไว้ แม้ว่า Lecoq de Boisbaudran จะสงสัยในตอนแรก และสงสัยว่า Mendeleev พยายามจะแย่งเครดิตจากการค้นพบของเขา แต่ต่อมาเขาก็ยอมรับว่า Mendeleev ถูกต้อง[ 212 ]ในปี 1879 นักเคมีชาวสวีเดนLars Fredrik Nilsonค้นพบธาตุใหม่ ซึ่งเขาตั้งชื่อว่าสแกนเดียม: ปรากฏว่ามันคือเอกา-โบรอน เอกา-ซิลิคอนถูกค้นพบในปี 1886 โดยนักเคมีชาวเยอรมันClemens Winklerซึ่งตั้งชื่อมันว่าเจอร์มาเนียม คุณสมบัติของแกลเลียม สแกนเดียม และเจอร์มาเนียมตรงกับสิ่งที่ Mendeleev ทำนายไว้[ 213 ]ในปี 1889 Mendeleev กล่าวในการบรรยาย Faraday ต่อ Royal Institution ในลอนดอนว่าเขาไม่ได้คาดหวังว่าจะมีชีวิตอยู่ได้นานพอ "ที่จะกล่าวถึงการค้นพบของพวกเขาต่อสมาคมเคมีแห่งบริเตนใหญ่เพื่อเป็นการยืนยันความถูกต้องและความเป็นทั่วไปของกฎคาบ"[ 214 ]แม้แต่การค้นพบก๊าซเฉื่อยในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ซึ่งเมนเดเลฟไม่ได้ทำนายไว้ ก็ยังเข้ากันได้ดีกับแผนการของเขาในฐานะกลุ่มหลักที่แปด [ 215 ]
อย่างไรก็ตาม เมนเดเลฟประสบปัญหาในการจัดเรียงแลนทานอยด์ที่รู้จักลงในแผนผังของเขา เนื่องจากแลนทานอยด์เหล่านี้ไม่ได้แสดงการเปลี่ยนแปลงตามคาบของวาเลนซีเหมือนกับธาตุอื่นๆ หลังจากการตรวจสอบอย่างละเอียด นักเคมีชาวเช็ก โบฮุสลาฟ บราวน์เนอร์เสนอในปี 1902 ว่าแลนทานอยด์ทั้งหมดสามารถจัดไว้ด้วยกันในหมู่เดียวกันบนตารางธาตุได้ เขาตั้งชื่อสมมติฐานนี้ว่า "สมมติฐานดาวเคราะห์น้อย" โดยเปรียบเทียบกับดาราศาสตร์ เช่นเดียวกับที่มีแถบดาวเคราะห์น้อยแทนที่จะเป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวระหว่างดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี ตำแหน่งใต้ธาตุอิตเทรียมจึงถูกคิดว่ามีแลนทานอยด์ทั้งหมดอยู่แทนที่จะเป็นเพียงธาตุเดียว[ 33 ]
เลขอะตอม
หลังจากมีการตรวจสอบโครงสร้างภายในของอะตอม นักฟิสิกส์สมัครเล่นชาวดัตช์Antonius van den Broekได้เสนอในปี 1913 ว่าประจุของนิวเคลียสเป็นตัวกำหนดตำแหน่งของธาตุในตารางธาตุ[ 216 ] [ 217 ]นักฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์Ernest Rutherfordได้บัญญัติศัพท์คำว่า "เลขอะตอม" สำหรับประจุของนิวเคลียสนี้[ 218 ]ในบทความที่ตีพิมพ์ของ van den Broek เขาได้แสดงภาพตารางธาตุอิเล็กตรอนแรกที่แสดงธาตุต่างๆ เรียงตามจำนวนอิเล็กตรอน[ 217 ] Rutherford ยืนยันในบทความของเขาในปี 1914 ว่า Bohr ยอมรับมุมมองของ van den Broek [ 219 ]
ในปีเดียวกันนั้นเฮนรี โมสลีย์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้ใช้สเปกโทรสโกปี รังสี เอ็กซ์เพื่อยืนยันข้อเสนอของแวน เดน โบรค ในเชิงทดลอง โมสลีย์ได้กำหนดค่าประจุของนิวเคลียสของแต่ละธาตุตั้งแต่ธาตุอะลูมิเนียมไปจนถึงธาตุทองคำและแสดงให้เห็นว่าลำดับของเมนเดเลฟนั้นจัดเรียงธาตุตามลำดับประจุของนิวเคลียส[ 220 ]ประจุของนิวเคลียสเหมือนกับ จำนวน โปรตอนและกำหนดค่าเลขอะตอม ( Z ) ของแต่ละธาตุ การใช้เลขอะตอมทำให้ได้ลำดับที่แน่นอนตามจำนวนเต็มของธาตุ งานวิจัยของโมสลีย์ได้แก้ไขความไม่สอดคล้องกันระหว่างน้ำหนักอะตอมและคุณสมบัติทางเคมีในทันที ซึ่งเป็นกรณีเช่นเทลลูเรียมและไอโอดีน ที่เลขอะตอมเพิ่มขึ้นแต่น้ำหนักอะตอมลดลง[ 216 ]แม้ว่าโมสลีย์จะเสียชีวิตในสงครามโลกครั้งที่ 1 ในไม่ช้า แต่ แมนเน ซีกบาห์น นักฟิสิกส์ชาวสวีเดน ก็ยังคงทำงานของเขาต่อไปจนถึงยูเรเนียมและได้พิสูจน์ว่ายูเรเนียมเป็นธาตุที่มีเลขอะตอมสูงสุดที่รู้จักในขณะนั้น (92) [ 221 ]จากการวิจัยของ Moseley และ Siegbahn ทำให้ทราบว่าเลขอะตอมใดที่สอดคล้องกับธาตุที่ยังไม่ถูกค้นพบ ได้แก่ 43, 61, 72, 75, 85 และ 87 [ 216 ] (ธาตุที่ 75 นั้นถูกค้นพบโดยนักเคมีชาวญี่ปุ่นMasataka Ogawaในปี 1908 และตั้งชื่อว่านิปโพเนียมแต่เขาเข้าใจผิดกำหนดให้เป็นธาตุที่ 43 แทนที่จะเป็น 75 ดังนั้นการค้นพบของเขาจึงไม่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปจนกระทั่งภายหลัง การค้นพบธาตุที่ 75 ที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันเกิดขึ้นในปี 1925 เมื่อWalter Noddack , Ida TackeและOtto Bergค้นพบมันขึ้นมาใหม่โดยอิสระและตั้งชื่อให้มันว่ารีเนียม ) [ 222 ]
การกำเนิดของฟิสิกส์อะตอมยังทำให้สถานการณ์ของไอโซโทป กระจ่างขึ้น ในห่วงโซ่การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีดั้งเดิมอย่างธอร์เรียมและยูเรเนียม ในไม่ช้าก็ปรากฏชัดว่ามีธาตุใหม่จำนวนมากที่มีน้ำหนักอะตอมต่างกันแต่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันทุกประการ ในปี 1913 เฟรเดอริก ซอดดีได้บัญญัติศัพท์คำว่า "ไอโซโทป" เพื่ออธิบายสถานการณ์นี้ และพิจารณาว่าไอโซโทปเป็นเพียงรูปแบบที่แตกต่างกันของธาตุทางเคมีเดียวกัน นอกจากนี้ยังทำให้ความแตกต่างต่างๆ เช่น เทลลูเรียมและไอโอดีนกระจ่างขึ้น องค์ประกอบไอโซโทปตามธรรมชาติของเทลลูเรียมมีน้ำหนักไปทางไอโซโทปที่หนักกว่าของไอโอดีน แต่เทลลูเรียมมีเลขอะตอมต่ำกว่า[ 223 ]
เปลือกอิเล็กตรอน
นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กนีลส์ โบห์รได้นำ แนวคิดเรื่องควอนตัมของ แม็กซ์ พลัง ค์ มาประยุกต์ ใช้กับอะตอม เขาได้สรุปว่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนนั้นเป็นควอนตัม กล่าวคือ มีเพียงชุดสถานะพลังงานที่เสถียรจำนวนจำกัดเท่านั้นที่ได้รับอนุญาต จากนั้นโบห์รพยายามทำความเข้าใจความเป็นคาบผ่านการจัดเรียงอิเล็กตรอน โดยคาดการณ์ในปี 1913 ว่าอิเล็กตรอนวงนอกน่าจะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีของธาตุ[ 224 ] [ 225 ]ในปี 1913 เขาได้สร้างตารางธาตุอิเล็กตรอนตัวแรกโดยอิงจากอะตอมควอนตัม[ 226 ]
ในปี 1913 บอร์เรียกวงโคจรของอิเล็กตรอนว่า "วงแหวน" เนื่องจากในสมัยที่เขาสร้างแบบจำลองดาวเคราะห์นั้น ยังไม่มีวงโคจรอะตอมภายในวงโคจร บอร์อธิบายในส่วนที่ 3 ของบทความที่มีชื่อเสียงของเขาในปี 1913 ว่าจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดในวงโคจรคือแปด โดยเขียนว่า "เราพบว่า วงแหวนของ อิเล็กตรอน nตัวไม่สามารถหมุนเป็นวงแหวนเดียวรอบนิวเคลียสที่มีประจุ ne ได้ เว้นแต่ว่าn < 8" สำหรับอะตอมขนาดเล็ก วงโคจรของอิเล็กตรอนจะถูกเติมเต็มดังนี้ "วงแหวนของอิเล็กตรอนจะรวมกันได้ก็ต่อเมื่อมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน และด้วยเหตุนี้จำนวนอิเล็กตรอนในวงแหวนด้านในจึงจะมีเพียง 2, 4, 8 เท่านั้น" อย่างไรก็ตาม ในอะตอมขนาดใหญ่ วงโคจรชั้นในสุดจะมีอิเล็กตรอนแปดตัว "ในทางกลับกัน ระบบตารางธาตุชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าในนีออนN = 10 จะมีวงแหวนด้านในที่มีอิเล็กตรอนแปดตัว" การจัดเรียงอิเล็กตรอนที่เขาเสนอสำหรับอะตอม (แสดงทางด้านขวา) ส่วนใหญ่ไม่สอดคล้องกับที่ทราบกันในปัจจุบัน[ 227 ] [ 228 ]พวกมันได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมหลังจากงานของArnold SommerfeldและEdmund Stonerค้นพบเลขควอนตัมเพิ่มเติม[ 223 ]
| องค์ประกอบ | อิเล็กตรอนต่อเปลือก |
|---|---|
| 4 | 2,2 |
| 6 | 2,4 |
| 7 | 4,3 |
| 8 | 4,2,2 |
| 9 | 4,4,1 |
| 10 | 8.2 |
| 11 | 8,2,1 |
| 16 | 8,4,2,2 |
| 18 | 8,8,2 |
บุคคลแรกที่ขยายและแก้ไขศักยภาพทางเคมีของทฤษฎีอะตอมของบอร์อย่างเป็นระบบคือวอลเทอร์ คอสเซลในปี 1914 และ 1916 คอสเซลอธิบายว่าในตารางธาตุ ธาตุใหม่จะถูกสร้างขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกเพิ่มเข้าไปในวงโคจรชั้นนอก ในบทความของคอสเซล เขาเขียนไว้ว่า:
สิ่งนี้นำไปสู่ข้อสรุปว่าอิเล็กตรอนที่เพิ่มเข้ามาควรถูกใส่เข้าไปในวงแหวนหรือเปลือกที่ซ้อนกัน โดยในแต่ละวงแหวนหรือเปลือกนั้น...จะมีอิเล็กตรอนเพียงจำนวนหนึ่งเท่านั้น—นั่นคือแปดตัวในกรณีของเรา—ที่ควรจัดเรียงไว้ ทันทีที่วงแหวนหรือเปลือกหนึ่งเสร็จสมบูรณ์ จะต้องเริ่มต้นวงแหวนหรือเปลือกใหม่สำหรับธาตุถัดไป จำนวนอิเล็กตรอนที่เข้าถึงได้ง่ายที่สุดและอยู่บริเวณขอบนอกสุดจะเพิ่มขึ้นอีกครั้งจากธาตุหนึ่งไปยังอีกธาตุหนึ่ง ดังนั้นในการสร้างเปลือกใหม่แต่ละเปลือก ความเป็นคาบทางเคมีจึงเกิดขึ้นซ้ำ[ 229 ]
ในบทความปี 1919 เออร์วิง แลงมัวร์ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของ "เซลล์" ซึ่งปัจจุบันเราเรียกว่าออร์บิทัล โดยแต่ละเซลล์สามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้เพียงแปดตัวเท่านั้น และเซลล์เหล่านี้ถูกจัดเรียงเป็น "ชั้นที่มีระยะห่างเท่ากัน" ซึ่งปัจจุบันเราเรียกว่าเชลล์ เขาได้ยกเว้นเชลล์แรกให้บรรจุอิเล็กตรอนได้เพียงสองตัว[ 230 ]นักเคมีชาร์ลส์ รูเกลีย์ บิวรีเสนอในปี 1921 ว่าอิเล็กตรอนแปดและสิบแปดตัวในเชลล์ก่อให้เกิดโครงสร้างที่เสถียร บิวรีเสนอว่าโครงสร้างอิเล็กตรอนในธาตุทรานซิชันขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอนวาเลนซ์ในเชลล์นอกสุดของพวกมัน[ 231 ]เขาได้นำคำว่าทรานซิชันมา ใช้ เพื่ออธิบายธาตุที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อโลหะทรานซิชันหรือธาตุทรานซิชัน[ 232 ]ทฤษฎีของโบร์ได้รับการพิสูจน์โดยการค้นพบธาตุที่ 72: จอร์จส์ อูร์แบงอ้างว่าได้ค้นพบธาตุนี้ในฐานะธาตุหายากเซลเทียมแต่บิวรีและโบร์ได้ทำนายไว้ว่าธาตุที่ 72 ไม่น่าจะเป็นธาตุหายากและต้องเป็นธาตุที่คล้ายคลึงกับเซอร์โคเนียมเดิร์ก คอสเตอร์และจอร์จ ฟอน เฮเวซีค้นหาธาตุนี้ในแร่เซอร์โคเนียมและพบธาตุที่ 72 ซึ่งพวกเขาตั้งชื่อว่าแฮฟเนียม ตามชื่อเมือง โคเปนเฮเกนบ้านเกิดของโบร์( Hafniaในภาษาละติน) [ 233 ] [ 234 ]เซลเทียมของอูร์แบงพิสูจน์แล้วว่าเป็นเพียงลูเทเซียม บริสุทธิ์ (ธาตุที่ 71) [ 235 ]ดังนั้นแฮฟเนียมและรีเนียมจึงกลายเป็นธาตุเสถียรสุดท้ายที่ถูกค้นพบ[ 223 ]
ด้วยแรงกระตุ้นจากโบร์วูล์ฟกัง พอลีจึงหยิบยกปัญหาการจัดเรียงอิเล็กตรอนขึ้นมาศึกษาในปี 1923 พอลีได้ขยายแผนการของโบร์โดยใช้เลขควอนตัม สี่ตัว และกำหนดหลักการกีดกันซึ่งระบุว่าอิเล็กตรอนสองตัวไม่สามารถมีเลขควอนตัมสี่ตัวเดียวกันได้ หลักการนี้อธิบายความยาวของคาบในตารางธาตุ (2, 8, 18 และ 32) ซึ่งสอดคล้องกับจำนวนอิเล็กตรอนที่แต่ละเปลือกสามารถครอบครองได้[ 236 ]ในปี 1925 ฟรีดริช ฮุนด์ได้ค้นพบการจัดเรียงที่ใกล้เคียงกับแบบสมัยใหม่[ 237 ]ผลจากความก้าวหน้าเหล่านี้ ความเป็นคาบจึงขึ้นอยู่กับจำนวนอิเล็กตรอนที่ทำปฏิกิริยาทางเคมีหรืออิเล็กตรอนวาเลนซ์ แทนที่จะขึ้นอยู่กับวาเลนซ์ของธาตุ[ 58 ]หลักการAufbauที่อธิบายการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุต่างๆ ได้รับการสังเกตเชิงประจักษ์ครั้งแรกโดยErwin Madelungในปี 1926 [ 45 ]แม้ว่าผู้ที่ตีพิมพ์เป็นคนแรกคือVladimir Karapetoffในปี 1930 [ 238 ] [ 239 ]ในปี 1961 Vsevolod Klechkovskyได้อนุมานส่วนแรกของกฎ Madelung (ที่ว่าออร์บิทัลจะเติมเต็มตามลำดับn + ℓ ที่เพิ่มขึ้น) จากแบบจำลอง Thomas–Fermi [ 240 ]กฎที่สมบูรณ์ได้รับการอนุมานจากศักยภาพที่คล้ายกันในปี 1971 โดย Yury N. Demkov และ Valentin N. Ostrovsky [ 241 ] [ s ]
ทฤษฎีควอนตัมชี้แจงว่าโลหะทรานซิชันและแลนทานอยด์ก่อตัวเป็นกลุ่มแยกต่างหากของตนเอง ซึ่งเป็นกลุ่มทรานซิชันระหว่างกลุ่มหลัก แม้ว่านักเคมีบางคนได้เสนอตารางที่แสดงลักษณะนี้มาก่อนแล้วก็ตาม เช่น เฮนรี บาสเซ็ตต์ นักเคมีชาวอังกฤษในปี 1892 จูเลียส ทอมเซน นักเคมีชาวเดนมาร์ก ในปี 1895 และอัลเฟรด เวอร์เนอร์ นักเคมีชาวสวิส ในปี 1905 บอร์ใช้รูปแบบของทอมเซนในการบรรยายโนเบลปี 1922 รูปแบบของเวอร์เนอร์นั้นคล้ายคลึงกับรูปแบบ 32 คอลัมน์ในปัจจุบันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง รูปแบบนี้ได้เข้ามาแทนที่สมมติฐานเกี่ยวกับดาวเคราะห์น้อยของบราวน์เนอร์[ 33 ]
ตำแหน่งที่แน่นอนของแลนทานอยด์ และองค์ประกอบของหมู่ 3 จึง ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันมานานหลายทศวรรษ เนื่องจากในตอนแรกการวัดการจัดเรียงอิเล็กตรอนของพวกมันนั้นไม่ถูกต้อง[ 25 ] [ 93 ]ด้วยเหตุผลทางเคมี Bassett, Werner และ Bury ได้จัดกลุ่มสแกนเดียมและอิตเทรียมไว้กับลูเทเซียมแทนที่จะเป็นแลนทานัม (สองกลุ่มแรกเว้นช่องว่างไว้ด้านล่างอิตเทรียม เนื่องจากลูเทเซียมยังไม่ถูกค้นพบ) [ 33 ] [ 231 ] Hund สันนิษฐานในปี 1927 ว่าอะตอมของแลนทานอยด์ทั้งหมดมีการจัดเรียงอิเล็กตรอนเป็น [Xe]4f 0–14 5d 1 6s 2เนื่องจากความเป็นไตรวาเลนซีที่แพร่หลาย ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่าความสัมพันธ์ระหว่างเคมีและการจัดเรียงอิเล็กตรอนนั้นซับซ้อนกว่านั้น[ t ] [ 54 ]หลักฐานทางสเปกโทรสโกปีในยุคแรกดูเหมือนจะยืนยันการจัดเรียงเหล่านี้ ดังนั้นตารางธาตุจึงถูกจัดโครงสร้างให้มีหมู่ 3 เป็นสแกนเดียม อิตเทรียม แลนทานัม และแอคติเนียม โดยมีธาตุ f สิบสี่ธาตุคั่นระหว่างบล็อก d ระหว่างแลนทานัมและแฮฟเนียม[ 25 ]แต่ต่อมาพบว่าสิ่งนี้เป็นจริงสำหรับแลนทานัมเพียงสี่ในสิบห้าธาตุ (แลนทานัม ซีเรียม แกโดลิเนียม และลูเทเซียม) และอะตอมแลนทานัมอื่นๆ ไม่มีอิเล็กตรอน d โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิตเตอร์เบียมทำให้เปลือก 4f สมบูรณ์ ดังนั้นนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต เลฟ แลนเดา และเยฟเกนี ลิฟชิตซ์ จึงตั้งข้อสังเกตในปี 1948 ว่าลูเทเซียมถือได้ว่าเป็นธาตุบล็อก d มากกว่าบล็อก f อย่างถูกต้อง[ 26 ]แนวคิดที่ว่าแลนทานัมจำนวนมากเป็นโลหะ f นั้นได้รับการเสนอครั้งแรกโดยจุน คอนโดะในปี 1963 โดยอ้างอิงจากคุณสมบัติการนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ ต่ำ [ 101 ]ซึ่งชี้แจงถึงความสำคัญของการพิจารณาสถานะกระตุ้นต่ำของอะตอมที่สามารถมีบทบาทในสภาพแวดล้อมทางเคมีเมื่อจัดประเภทธาตุตามบล็อกและวางตำแหน่งบนตาราง[ 64 ] [ 66 ] [ 25 ]ต่อมาผู้เขียนหลายคนได้ค้นพบการแก้ไขนี้อีกครั้งโดยอิงจากข้อกังวลทางกายภาพ เคมี และอิเล็กทรอนิกส์ และนำไปใช้กับธาตุที่เกี่ยวข้องทั้งหมด ทำให้หมู่ 3 ประกอบด้วยสแกนเดียม อิตเทรียม ลูเทเซียม และลอว์เรนเซียม[ 64 ] [ 23 ] [ 93 ]และมีแลนทานัมถึงอิตเตอร์เบียมและแอคติเนียมถึงโนเบเลียมเป็นแถวบล็อก f: [ 64 ] [ 23 ]เวอร์ชันที่แก้ไขนี้สอดคล้องกับกฎของ Madelung และยืนยันตำแหน่งทางเคมีเริ่มต้นของ Bassett, Werner และ Bury [ 33 ]
ในปี พ.ศ. 2531 IUPAC ได้เผยแพร่รายงานที่สนับสนุนองค์ประกอบของกลุ่มที่ 3 นี้[ 23 ]ซึ่งเป็นการตัดสินใจที่ได้รับการยืนยันอีกครั้งในปี พ.ศ. 2564 [ 24 ]ยังคงพบความแตกต่างในตำราเรียนเกี่ยวกับองค์ประกอบของกลุ่มที่ 3 [ 35 ]และข้อโต้แย้งบางประการเกี่ยวกับรูปแบบนี้ยังคงได้รับการตีพิมพ์ในปัจจุบัน[ 63 ]แต่นักเคมีและนักฟิสิกส์ที่ได้พิจารณาเรื่องนี้ส่วนใหญ่เห็นพ้องต้องกันว่ากลุ่มที่ 3 ประกอบด้วยสแกนเดียม อิตเทรียม ลูเทเซียม และลอว์เรนเซียม และท้าทายข้อโต้แย้งว่าไม่สอดคล้องกัน[ 63 ]
องค์ประกอบสังเคราะห์
ภายในปี 1936 กลุ่มของธาตุที่ขาดหายไปตั้งแต่ไฮโดรเจนถึงยูเรเนียมได้หดตัวลงเหลือเพียงสี่ธาตุ ได้แก่ ธาตุ 43, 61, 85 และ 87 ที่ยังคงขาดหายไป ธาตุ 43 ในที่สุดก็กลายเป็นธาตุแรกที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยวิธีการสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ แทนที่จะถูกค้นพบในธรรมชาติ ธาตุนี้ถูกค้นพบในปี 1937 โดยนักเคมีชาวอิตาลีEmilio SegrèและCarlo Perrierซึ่งตั้งชื่อการค้นพบของพวกเขา ว่า เทคนีเซียมตามคำภาษากรีกที่แปลว่า "เทียม" [ 242 ]ธาตุ 61 ( โพรมีเทียม ) และ 85 ( แอสตาทีน ) ก็ถูกผลิตขึ้นโดยวิธีการสังเคราะห์เช่นกันในปี 1945 และ 1940 ตามลำดับ ธาตุที่ 87 ( แฟรนเซียม ) กลายเป็นธาตุสุดท้ายที่ถูกค้นพบในธรรมชาติ โดยนักเคมีชาวฝรั่งเศสMarguerite Pereyในปี 1939 [ 243 ] [ u ]ธาตุที่อยู่เหนือยูเรเนียมก็ถูกค้นพบโดยมนุษย์เช่นกัน เริ่มต้นด้วย การค้นพบ เนปทูเนียมในปี 1940 โดย Edwin McMillanและPhilip Abelson (ผ่านการระดมยิงยูเรเนียมด้วยนิวตรอน) [ 76 ] Glenn T. Seaborgและทีมงานของเขาที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley (LBNL) ยังคงค้นพบธาตุทรานส์ยูเรเนียมต่อไป โดยเริ่มต้นด้วยพลูโทเนียมในปี 1941 และค้นพบว่าตรงกันข้ามกับความคิดก่อนหน้านี้ ธาตุตั้งแต่แอคติเนียมเป็นต้นไปเป็นธาตุในกลุ่มเดียวกับแลนทานัมมากกว่าโลหะทรานซิชัน[ 244 ] Bassett (1892), Werner (1905) และวิศวกรชาวฝรั่งเศสCharles Janet (1928) เคยเสนอแนวคิดนี้มาก่อน แต่ความคิดของพวกเขาไม่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปในขณะนั้น[ 33 ]ซีบอร์กจึงเรียกพวกมันว่าแอคติไนด์[ 244 ]ธาตุจนถึง 101 (ตั้งชื่อว่าเมนเดเลเวียมเพื่อเป็นเกียรติแก่เมนเดเลฟ) ได้รับการสังเคราะห์จนถึงปี 1955 ไม่ว่าจะผ่านการฉายรังสีนิวตรอนหรืออนุภาคอัลฟา หรือในการระเบิดนิวเคลียร์ในกรณีของ 99 (ไอน์สไตเนียม) และ 100 (เฟอร์เมียม) [ 76 ]
ความขัดแย้งครั้งสำคัญเกิดขึ้นกับธาตุที่ 102 ถึง 106 ในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 เนื่องจากการแข่งขันระหว่างทีม LBNL (ซึ่งนำโดยAlbert Ghiorso ในขณะนั้น ) และทีมนักวิทยาศาสตร์โซเวียตที่สถาบันวิจัยนิวเคลียร์ร่วม (JINR) ซึ่งนำโดยGeorgy Flyorovแต่ละทีมอ้างว่าค้นพบ และในบางกรณีแต่ละทีมเสนอชื่อธาตุของตนเอง ทำให้เกิดข้อถกเถียงเรื่องการตั้งชื่อธาตุที่กินเวลานานหลายทศวรรษ ธาตุเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยการยิงแอคติไนด์ด้วยไอออนเบา[ 245 ]ในตอนแรก IUPAC ใช้แนวทางที่ไม่เข้าไปยุ่งเกี่ยว โดยเลือกที่จะรอและดูว่าจะมีฉันทามติเกิดขึ้นหรือไม่ แต่เนื่องจากเป็นช่วงที่สงครามเย็นกำลังดำเนินไปอย่างรุนแรงจึงเห็นได้ชัดว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น ด้วยเหตุนี้ IUPAC และสหภาพฟิสิกส์บริสุทธิ์และประยุกต์ระหว่างประเทศ (IUPAP) จึงได้จัดตั้งกลุ่มทำงานเฟอร์มิอุม (TWG โดยเฟอร์มิอุมเป็นธาตุลำดับที่ 100) ขึ้นในปี 1985 เพื่อกำหนดเกณฑ์การค้นพบ[ 246 ]ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1991 [ 247 ]หลังจากเกิดข้อโต้แย้งเพิ่มเติม ธาตุเหล่านี้ได้รับชื่อสุดท้ายในปี 1997 รวมถึงซีบอร์เกียม (106) เพื่อเป็นเกียรติแก่ซีบอร์ก[ 248 ]
เกณฑ์ของ TWG ถูกนำมาใช้เพื่อตัดสินข้อเรียกร้องการค้นพบธาตุในภายหลังจาก LBNL และ JINR รวมถึงจากสถาบันวิจัยในเยอรมนี ( GSI ) และญี่ปุ่น ( Riken ) [ 249 ]ปัจจุบัน การพิจารณาข้อเรียกร้องการค้นพบดำเนินการโดยคณะทำงานร่วม IUPAC/IUPAPหลังจากกำหนดลำดับความสำคัญแล้ว ธาตุต่างๆ จะถูกเพิ่มเข้าไปในตารางธาตุอย่างเป็นทางการ และผู้ค้นพบจะได้รับเชิญให้เสนอชื่อ[ 6 ]ภายในปี 2016 เหตุการณ์นี้ได้เกิดขึ้นกับธาตุทั้งหมดจนถึง 118 จึงทำให้ตารางธาตุครบเจ็ดแถวแรก[ 6 ] [ 250 ]การค้นพบธาตุที่เกิน 106 เป็นไปได้ด้วยเทคนิคที่คิดค้นโดยYuri Oganessianที่ JINR: ฟิวชั่นเย็น (การยิงตะกั่วและบิสมัทด้วยไอออนหนัก) ทำให้สามารถค้นพบธาตุ 107 ถึง 112 ที่ GSI และ 113 ที่ Riken ได้ในช่วงปี 1981–2004 และเขานำทีม JINR (ร่วมกับนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน) ค้นพบธาตุ 114 ถึง 118 โดยใช้ฟิวชั่นร้อน (การยิงแอคติไนด์ด้วยไอออนแคลเซียม) ในช่วงปี 1998–2010 [ 251 ] [ 252 ]ธาตุที่หนักที่สุดที่รู้จักคือ โอกาเนสซอน (118) ได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่ Oganessian ธาตุ 114 ได้รับการตั้งชื่อว่า เฟลโรเวียม เพื่อเป็นเกียรติแก่ Flyorov ผู้เป็นอาจารย์และผู้มาก่อนเขา[ 252 ]
เพื่อเป็นการเฉลิมฉลองครบรอบ 150 ปีของตารางธาตุสหประชาชาติได้ประกาศให้ปี 2019 เป็นปีสากลแห่งตารางธาตุ เพื่อเฉลิมฉลอง "หนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุดในวิทยาศาสตร์" [ 253 ]เกณฑ์การค้นพบที่กำหนดโดย TWG ได้รับการปรับปรุงในปี 2020 เพื่อตอบสนองต่อความก้าวหน้าทางด้านการทดลองและทฤษฎีที่ไม่ได้คาดการณ์ไว้ในปี 1991 [ 254 ]ปัจจุบัน ตารางธาตุเป็นหนึ่งในสัญลักษณ์ที่รู้จักกันดีที่สุดของวิชาเคมี[ 82 ]ปัจจุบัน IUPAC มีส่วนร่วมในกระบวนการต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับตารางธาตุมากมาย เช่น การรับรองและการตั้งชื่อธาตุใหม่ การแนะนำหมายเลขหมู่และชื่อกลุ่ม และการปรับปรุงน้ำหนักอะตอม[ 6 ]
การขยายในอนาคตเกินกว่าช่วงที่เจ็ด
ธาตุที่ได้รับการตั้งชื่อล่าสุด ได้แก่ นิโฮเนียม (113), มอสโคเวียม (115), เทนเนสซีน (117) และโอแกเนสซอน (118) ทำให้แถวที่เจ็ดของตารางธาตุสมบูรณ์[ 6 ]ธาตุในอนาคตจะต้องเริ่มต้นแถวที่แปดธาตุเหล่านี้อาจถูกอ้างถึงโดยใช้เลขอะตอม (เช่น " ธาตุ 164 ") หรือโดยใช้ชื่อธาตุตามระบบ IUPAC ที่นำมาใช้ในปี 1978 ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับเลขอะตอม (เช่น "unhexquadium" สำหรับธาตุ 164 ซึ่งมาจากภาษาละตินunus "หนึ่ง", ภาษากรีกhexa "หก", ภาษาละตินquadra "สี่" และ คำต่อท้าย -ium แบบดั้งเดิม สำหรับธาตุโลหะ) [ 6 ]ความพยายามทั้งหมดในการสังเคราะห์ธาตุดังกล่าวล้มเหลวมาจนถึงปัจจุบัน ความพยายามในการสร้างธาตุที่ 119ได้ดำเนินมาตั้งแต่ปี 2018 ที่สถาบันวิจัย Riken ในประเทศญี่ปุ่น และความพยายามในการสร้างธาตุที่ 120ได้ดำเนินมาตั้งแต่ปี 2025 ที่ LBNL ในสหรัฐอเมริกา[ 257 ] JINR ในรัสเซียและศูนย์วิจัยไอออนหนักในหลานโจว (HIRFL) ในประเทศจีนก็วางแผนที่จะพยายามสังเคราะห์ธาตุแรก ๆ ของคาบที่ 8 เช่นกัน[ 258 ] [ 259 ] [ 260 ] [ 261 ] [ 262 ] [ 263 ]
หากคาบที่แปดเป็นไปตามรูปแบบที่กำหนดโดยคาบก่อนหน้า ก็จะมีธาตุห้าสิบตัว โดยบรรจุอยู่ในซับเชลล์ 8s, 5g, 6f, 7d และ 8p ตามลำดับ แต่ ณ จุดนี้ ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพควรส่งผลให้เกิดการเบี่ยงเบนอย่างมากจากกฎของมาเดลุงมีการเสนอแบบจำลองต่างๆ สำหรับการจัดเรียงอิเล็กตรอนของธาตุในคาบที่แปด รวมถึงวิธีการแสดงผลลัพธ์ในตารางธาตุ ทุกแบบจำลองเห็นพ้องต้องกันว่าคาบที่แปดควรเริ่มต้นเช่นเดียวกับคาบก่อนหน้าด้วยธาตุ 8s สองตัว คือ 119 และ 120 อย่างไรก็ตาม หลังจากนั้น การทับซ้อนทางพลังงานอย่างมหาศาลระหว่างซับเชลล์ 5g, 6f, 7d และ 8p หมายความว่าพวกมันเริ่มบรรจุอิเล็กตรอนพร้อมกัน และไม่ชัดเจนว่าจะแยกอนุกรม 5g และ 6f ที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างไร[ 59 ] [ 264 ] [ 265 ] [ 266 ] [ 267 ]ธาตุ121ถึง 156 จึงไม่เหมาะสมที่จะจัดเป็นธาตุอะนาล็อกทางเคมีของกลุ่มก่อนหน้าใดๆ ในส่วนต้นๆ ของตาราง[ 129 ]แม้ว่าบางครั้งจะถูกจัดไว้ในอนุกรม 5g, 6f และอื่นๆ เพื่อสะท้อนการจัดเรียงอิเล็กตรอนอย่างเป็นทางการ[ 129 ]เอริค สเคอร์รี ได้ตั้งคำถามว่าตารางธาตุที่ขยายควรคำนึงถึงความล้มเหลวของกฎของมาเดลุงในบริเวณนี้หรือไม่ หรือควรเพิกเฉยต่อข้อยกเว้นดังกล่าว[ 264 ]โครงสร้างเปลือกอิเล็กตรอนอาจเป็นไปอย่างเป็นทางการมาก ณ จุดนี้: การกระจายอิเล็กตรอนในอะตอมของโอแกเนสซอนคาดว่าจะค่อนข้างสม่ำเสมอ โดยไม่มีโครงสร้างเปลือกอิเล็กตรอนที่สังเกตได้[ 268 ]
สถานการณ์ตั้งแต่ธาตุที่ 157 ถึง 172 ควรกลับสู่ภาวะปกติและคล้ายคลึงกับแถวก่อนหน้ามากขึ้น[ 256 ]เปลือก p ที่หนักจะถูกแยกออกโดยปฏิกิริยาสปิน-ออร์บิท : ออร์บิทัล p หนึ่งตัว (p ) มีเสถียรภาพมากขึ้น และอีกสองตัว (p ) ไม่เสถียร (การเปลี่ยนแปลงในเลขควอนตัมดังกล่าวเกิดขึ้นกับเปลือกทุกประเภท แต่ทำให้เกิดความแตกต่างมากที่สุดกับลำดับสำหรับเปลือก p) เป็นไปได้ว่าเมื่อถึงธาตุที่ 157 เปลือก 8s และ 8p ที่เต็มแล้ว ซึ่งมีอิเล็กตรอนรวมสี่ตัวได้จมลงไปในแกนกลาง นอกเหนือจากแกนกลางแล้ว ออร์บิทัลถัดไปคือ 7d และ 9s ที่มีพลังงานใกล้เคียงกัน ตามด้วย 9p และ 8p ที่มีพลังงานใกล้เคียงกัน และจากนั้นก็มีช่องว่างขนาดใหญ่[ 256 ]ดังนั้น ออร์บิทัล 9s และ 9p จึงแทนที่ออร์บิทัล 8s และ 8p โดยพื้นฐาน ทำให้ธาตุ 157–172 มีความคล้ายคลึงทางเคมีกับกลุ่ม 3–18 ตัวอย่างเช่น ธาตุ 164 จะปรากฏอยู่สองตำแหน่งต่ำกว่าตะกั่วในกลุ่ม 14 ตามรูปแบบปกติ แต่คำนวณได้ว่ามีความคล้ายคลึงกับแพลเลเดียมในกลุ่ม 10 แทน[ 54 ] [ 266 ] [ 59 ] [ 255 ] [ 129 ]ดังนั้น จึงต้องใช้ธาตุ 54 ธาตุ แทนที่จะเป็น 50 ธาตุ เพื่อไปถึงธาตุที่มีเกียรติถัดไปหลังจาก 118 [ 269 ]อย่างไรก็ตาม แม้ว่าข้อสรุปเหล่านี้เกี่ยวกับเคมีของธาตุ 157 ถึง 172 โดยทั่วไปจะได้รับการยอมรับจากแบบจำลอง[ 129 ] [ 59 ]แต่ก็ยังมีความเห็นไม่ตรงกันว่าตารางธาตุควรวาดให้สะท้อนความคล้ายคลึงทางเคมี หรือควรสะท้อนการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่เป็นทางการที่เป็นไปได้ ซึ่งควรจะแตกต่างจากช่วงก่อนหน้าอย่างมาก และยังไม่มีข้อสรุปที่แน่ชัดระหว่างแหล่งข้อมูลต่างๆ การอภิปรายเกี่ยวกับรูปแบบของแถวที่แปดจึงยังคงดำเนินต่อไป[ 59 ] [ 266 ] [ 267 ] [ 105 ]
นอกเหนือจากธาตุที่ 172 การคำนวณจะซับซ้อนขึ้นเนื่องจากระดับพลังงานอิเล็กตรอน 1s กลายเป็นจำนวนจินตนาการสถานการณ์เช่นนี้มีการตีความทางกายภาพและไม่ได้เป็นข้อจำกัดทางอิเล็กตรอนของตารางธาตุ แต่ยังคงมีคำถามที่ยังเปิดอยู่ว่าวิธีการที่ถูกต้องในการรวมสถานะดังกล่าวเข้ากับการคำนวณอิเล็กตรอนหลายตัวนั้นจะต้องได้รับการตอบเพื่อคำนวณโครงสร้างของตารางธาตุต่อไปหลังจากจุดนี้[ 270 ]
เสถียรภาพของนิวเคลียสน่าจะเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดจำนวนธาตุที่เป็นไปได้ ขึ้นอยู่กับความสมดุลระหว่างแรงผลักทางไฟฟ้าของโปรตอนและแรงที่แข็งแกร่งที่ยึดโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกัน[ 271 ]โปรตอนและนิวตรอนเรียงตัวเป็นชั้นเช่นเดียวกับอิเล็กตรอน ดังนั้นชั้นที่ปิดสนิทจึงสามารถเพิ่มเสถียรภาพได้อย่างมาก นิวเคลียสหนักยิ่งยวดที่รู้จักกันในปัจจุบันมีอยู่เนื่องจากการปิดชั้นดังกล่าว ซึ่งน่าจะอยู่ที่ประมาณ 114–126 โปรตอนและ 184 นิวตรอน[ 270 ]พวกมันน่าจะอยู่ใกล้กับเกาะแห่งเสถียรภาพ ที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งนิวไคลด์หนักยิ่งยวดควรจะมีอายุยืนยาวกว่าที่คาดไว้ การคาดการณ์สำหรับนิวไคลด์ที่มีอายุยืนยาวที่สุดบนเกาะนี้มีตั้งแต่ไมโครวินาทีไปจนถึงหลายล้านปี[ 105 ] [ 272 ] [ 273 ]อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงการคาดการณ์ล่วงหน้าไปยังส่วนที่ไม่ทราบของแผนภูมินิวไคลด์ และจำเป็นต้องคำนึงถึงความไม่แน่นอนของแบบจำลองอย่างเป็นระบบ[ 105 ]
เมื่อเปลือกปิดถูกผ่านไป ผลของการทำให้เสถียรควรจะหายไป[ 274 ]ดังนั้น นิวไคลด์หนักยิ่งยวดที่มีนิวตรอนมากกว่า 184 ตัว คาดว่าจะมีอายุขัยสั้นกว่ามาก โดยจะแตกตัวโดยธรรมชาติภายใน 10 −15 วินาที หากเป็นเช่นนั้น ก็คงไม่สมเหตุสมผลที่จะพิจารณาว่าเป็นธาตุทางเคมี: IUPAC/IUPAP ตั้งทฤษฎีและแนะนำว่าธาตุจะมีอยู่ได้ก็ต่อเมื่อนิวเคลียสมีอายุยืนยาวกว่า 10 −14 วินาที ซึ่งเป็นเวลาที่จำเป็นสำหรับการรวบรวมกลุ่มอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม การประมาณค่าครึ่งชีวิตตามทฤษฎีนั้นขึ้นอยู่กับแบบจำลองเป็นอย่างมาก โดยมีช่วงห่างกันหลายอันดับ[ 270 ]แรงผลักอย่างรุนแรงระหว่างโปรตอนคาดว่าจะส่งผลให้เกิดโครงสร้างนิวเคลียร์ที่แปลกใหม่ โดยคาดว่าจะเกิดฟอง วงแหวน และทอรัส ซึ่งทำให้การคาดการณ์มีความซับซ้อนมากขึ้น[ 105 ]ยังไม่ชัดเจนว่ามีการปิดเปลือกนอกออกไปอีกหรือไม่ เนื่องจากคาดว่าจะมีการเบลอของเปลือกนิวเคลียร์ที่แตกต่างกัน (ดังที่คาดไว้แล้วสำหรับเปลือกอิเล็กตรอนที่โอแกเนสซอน) [ 274 ]ยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่าจะมีการปิดเปลือกในภายหลัง ก็ยังไม่ชัดเจนว่าจะทำให้ธาตุหนักดังกล่าวมีอยู่ได้หรือไม่[ 275 ] [ 276 ] [ 277 ] [ 179 ]ด้วยเหตุนี้ ตารางธาตุอาจสิ้นสุดลงในทางปฏิบัติที่ธาตุ 120 เนื่องจากธาตุมีอายุสั้นเกินกว่าที่จะสังเกตได้ และมีอายุสั้นเกินกว่าที่จะมีปฏิกิริยาเคมี ยุคแห่งการค้นพบธาตุใหม่จึงใกล้จะสิ้นสุดลง[ 179 ] [ 278 ]หากมีการปิดเปลือกโปรตอนอีกครั้งนอกเหนือจาก 126 ก็อาจเกิดขึ้นที่ประมาณ 164 [ 275 ]ดังนั้นบริเวณที่ความเป็นคาบไม่เป็นไปตามที่คาดไว้จึงตรงกับบริเวณที่ไม่เสถียรระหว่างการปิดเปลือก[ 129 ]
อีกทางเลือกหนึ่งคือสสารควาร์กอาจมีเสถียรภาพที่เลขมวลสูง ซึ่งนิวเคลียสประกอบด้วยควาร์กขึ้นและ ลงที่ไหลได้อย่างอิสระ แทนที่จะถูกผูกมัดเข้ากับโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งจะสร้างทวีปแห่งเสถียรภาพแทนที่จะเป็นเกาะ[ 279 ] [ 280 ]ผลกระทบอื่นๆ อาจเข้ามามีบทบาท เช่น ในธาตุหนักมาก อิเล็กตรอน 1s มีแนวโน้มที่จะใช้เวลาอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากจนแทบจะอยู่ภายในนิวเคลียส ซึ่งจะทำให้พวกมันเสี่ยงต่อ การถูกจับ โดยอิเล็กตรอน[ 281 ]
แม้ว่าธาตุแถวที่แปดจะมีอยู่จริง การผลิตธาตุเหล่านั้นก็อาจเป็นเรื่องยาก และน่าจะยากยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อเลขอะตอมสูงขึ้น[ 282 ]แม้ว่าคาดว่าธาตุ 8s 119 และ 120 จะสามารถเข้าถึงได้ด้วยวิธีการในปัจจุบัน แต่ธาตุที่เกินกว่านั้นคาดว่าจะต้องใช้เทคโนโลยีใหม่[ 283 ]หากสามารถผลิตได้เลย[ 284 ]
ตารางธาตุทางเลือก
กฎคาบอาจแสดงได้หลายวิธี ซึ่งตารางธาตุมาตรฐานเป็นเพียงวิธีหนึ่งเท่านั้น[ 285 ]ภายใน 100 ปีหลังจากที่ตารางของเมนเดเลฟปรากฏขึ้นในปี 1869 เอ็ดเวิร์ด จี. มาซูร์สได้รวบรวมตารางธาตุที่ตีพิมพ์แล้วประมาณ 700 เวอร์ชันที่แตกต่างกัน[ 182 ] [ 286 ]หลายรูปแบบยังคงโครงสร้างสี่เหลี่ยมผืนผ้าไว้ รวมถึง ตารางธาตุแบบขั้นซ้ายของ ชาร์ลส์ เจเน็ต (ดังภาพด้านล่าง) และรูปแบบที่ทันสมัยของเค้าโครง 8 คอลัมน์ดั้งเดิมของเมนเดเลฟซึ่งยังคงใช้กันทั่วไปในรัสเซีย รูปแบบตารางธาตุอื่นๆ มีรูปร่างที่แปลกใหม่กว่ามาก เช่น เกลียว ( ของ ออตโต ธีโอดอร์ เบนฟีย์ดังภาพด้านขวา) วงกลม และสามเหลี่ยม[ 287 ]
ตารางธาตุทางเลือกมักถูกพัฒนาขึ้นเพื่อเน้นหรือให้ความสำคัญกับคุณสมบัติทางเคมีหรือทางกายภาพของธาตุที่ไม่ปรากฏชัดในตารางธาตุแบบดั้งเดิม โดยตารางธาตุทางเลือกจะเน้นไปที่เคมีหรือฟิสิกส์มากกว่ากัน[ 288 ]รูปแบบต่างๆ ของตารางธาตุทำให้เกิดคำถามว่ามีรูปแบบตารางธาตุที่เหมาะสมที่สุดหรือแน่นอนหรือไม่ และถ้ามี รูปแบบนั้นจะเป็นอย่างไร ปัจจุบันยังไม่มีคำตอบที่เป็นเอกฉันท์สำหรับคำถามทั้งสองข้อ[ 289 ] [ 288 ]ตารางธาตุแบบขั้นซ้ายของ Janet กำลังถูกนำมาพูดคุยกันมากขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะตัวเลือกสำหรับรูปแบบที่เหมาะสมที่สุดหรือพื้นฐานที่สุด Scerri ได้เขียนสนับสนุนตารางนี้ เนื่องจากตารางนี้ชี้แจงธรรมชาติของฮีเลียมในฐานะธาตุในกลุ่ม s เพิ่มความสม่ำเสมอโดยการทำซ้ำความยาวของคาบทั้งหมด ปฏิบัติตามกฎของ Madelung อย่างซื่อสัตย์โดยทำให้แต่ละคาบสอดคล้องกับค่าn + ℓ หนึ่งค่า [ g ]และทำให้กลุ่มเลขอะตอมและแนวโน้มความผิดปกติของแถวแรกมีความสม่ำเสมอมากขึ้น[ 295 ]
| ฟ1 | เอฟ2 | เอฟ3 | เอฟ4 | เอฟ5 | ฟ6 | เอฟ7 | เอฟ8 | เอฟ9 | เอฟ10 | เอฟ11 | เอฟ12 | เอฟ13 | เอฟ14 | ง1 | d 2 | ง3 | ง4 | ง5 | ง6 | ง7 | ง8 | ง9 | d 10 | หน้า1 | หน้า2 | หน้า3 | หน้า4 | หน้า5 | หน้า6 | ส1 | ส2 | |||
| 1 วินาที | ชม | เขา | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 วินาที | หลี่ | เป็น | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2p3 วินาที | บี | ซี | เอ็น | โอ | เอฟ | เน | นา | เอ็มจี | ||||||||||||||||||||||||||
| 3p4 วินาที | อัล | ซี | พี | เอส | คล. | อาร์ | เค | ซีเอ | ||||||||||||||||||||||||||
| 3 มิติ4 โมงเย็น5 วินาที | สก | ที | วี | ครี | มน. | เฟ | บริษัท | นี | คู | สังกะสี | กา | เก | เช่น | เซ | บร | กร | อาร์บี | นายท่าน | ||||||||||||||||
| 4d5 เพนนี6 วินาที | วาย | เซอร์ | เอ็นบี | โม | ทีซี | รู | รh | พีดี | อาก | ซีดี | ใน | ส.น. | สบ | ที | ฉัน | ซี | ซี | บา | ||||||||||||||||
| 4f5d6 โมงเย็น7s | ลา | ซี | ปร. | เอ็นดี | พีเอ็ม | สม | ยู | จีดี | วัณโรค | ดาย | โฮ | เออร์ | ทม | วายบี | ลู่ | เอชเอฟ | ตา | ว | อีกครั้ง | โอส | อิร | พีที | ออ | ปรอท | ทีแอล | ตะกั่ว | บิ | โป | ที่ | อาร์เอ็น | ฟร | รา | ||
| 5 ฟุต6d7 โมงเย็น8 วินาที | เอซี | ไทย | ปา | ยู | เอ็นพี | ปู | เช้า | ซม. | บีเค | เปรียบเทียบ | เอส | เอฟเอ็ม | เอ็มดี | เลขที่ | ล. | อาร์เอฟ | ดีบี | สิบเอก | ภ. | เอชเอส | ภูเขา | ดีเอส | อาร์จี | ซีเอ็น | เอ็นเอช | เอฟแอล | แม็ค | เลเวล | ทีเอส | โอจี | อูเอ | อุบน | ||
| บล็อก f | ดีบล็อก | พี-บล็อก | บล็อกเอส | |||||||||||||||||||||||||||||||
ดูเพิ่มเติม
- การสังเคราะห์นิวเคลียส – กระบวนการสร้างนิวเคลียสอะตอมใหม่จากนิวคลีออนที่มีอยู่เดิม
- ตารางธาตุของโมเลกุลขนาดเล็ก – แผนภูมิโมเลกุล
หมายเหตุ
- คำถามเกี่ยวกับจำนวนธาตุธรรมชาติที่มีอยู่ค่อนข้างซับซ้อนและยังไม่ได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์ ธาตุที่หนักที่สุดที่พบได้ในปริมาณมากบนโลกคือธาตุที่ 92 ยูเรเนียมอย่างไรก็ตาม ยูเรเนียมสามารถเกิดการแตกตัว ตามธรรมชาติ ได้และนิวตรอนที่เกิดขึ้นสามารถพุ่งชนอะตอมยูเรเนียมอื่นๆ ได้ หากเกิดการจับนิวตรอนขึ้น ธาตุที่ 93 และ 94 คือเนปทูเนียมและพลูโทเนียมจะเกิดขึ้นจากการสลายตัวแบบเบตา [ 10 ] ซึ่งในความเป็นจริงแล้วพบได้บ่อยกว่าธาตุที่หายากที่สุดบางชนิดใน 92 ธาตุแรก เช่นโพรมีเทียมแอสตาไทน์และแฟรนเซียม (ดูความอุดมสมบูรณ์ของธาตุในเปลือกโลก ) ในทางทฤษฎี การจับนิวตรอนบนพลูโทเนียมที่เกิดขึ้นอาจทำให้เกิดธาตุที่มีหมายเลขสูงกว่าได้ แต่ปริมาณจะน้อยเกินกว่าที่จะสังเกตได้[ 10 ]ในระบบสุริยะยุคแรก ธาตุที่มีอายุสั้นกว่ายังไม่สลายตัวไป ดังนั้นจึงมีธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมากกว่า 94 ธาตุคิวเรียม (ธาตุที่ 96) เป็นธาตุที่มีอายุยืนยาวที่สุดนอกเหนือจาก 94 ธาตุแรก และอาจยังคงถูกนำมายังโลกผ่านทางรังสีคอสมิกแต่ยังไม่ถูกค้นพบ[ 10 ]ธาตุจนถึง 99 ( ไอน์สไตเนียม ) ได้รับการสังเกตพบในดาวฤกษ์ของพริซบิลสกี [ 11 ] ธาตุจนถึง 100 ( เฟอร์เมียม ) น่าจะเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันตามธรรมชาติที่ เหมือง โอคโลประเทศกาบองแต่ธาตุเหล่านั้นสลายตัวไปนานแล้ว[ 12 ]ธาตุที่หนักกว่านั้นอาจถูกผลิตขึ้นในกระบวนการ rผ่านทางซูเปอร์โนวาหรือการรวมตัวของดาวนิวตรอนแต่สิ่งนี้ยังไม่ได้รับการยืนยัน ยังไม่ชัดเจนว่าจะขยายออกไปไกลแค่ไหนเกิน 100 และจะคงอยู่ได้นานแค่ไหน: การคำนวณชี้ให้เห็นว่านิวไคลด์ที่มีเลขมวลประมาณ 280 ถึง 290 เกิดขึ้นในกระบวนการ r แต่จะสลายตัวแบบเบตา อย่างรวดเร็ว เป็นนิวไคลด์ที่เกิด การแตก ตัวแบบสปอนเทเนียสดังนั้น 99.9% ของ นิวไคลด์ หนักยิ่งยวด ที่ผลิตขึ้น จะสลายตัวภายในหนึ่งเดือน[ 13 ]หากพวกมันมีอายุยืนยาวเพียงพอ พวกมันอาจถูกนำมายังโลกผ่านทางรังสีคอสมิกได้เช่นกัน แต่ก็ยังไม่พบ[ 10 ]
- ^ไอโซโทปบางชนิดที่ปัจจุบันถือว่าเสถียรนั้น ในทางทฤษฎีคาดว่าจะเป็นกัมมันตรังสีที่มีครึ่งชีวิตยาวนานมาก ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปที่เสถียรทั้งหมดของธาตุ 62 (ซาแมเรียม ), 63 (ยูโรเปียม ) และธาตุทั้งหมดตั้งแต่ 67 (โฮลเมียม ) เป็นต้นไป คาดว่าจะเกิดการสลายตัวแบบอัลฟาหรือการสลายตัวแบบเบตาคู่อย่างไรก็ตาม ครึ่งชีวิตที่คาดการณ์ไว้นั้นยาวนานมาก (เช่น การสลายตัวแบบอัลฟาของ 208 Pb ไปสู่สถานะพื้นฐานของ 204 Hg คาดว่าจะมีครึ่งชีวิตมากกว่า 10 120ปี) และไม่เคยมีการสังเกตการสลายตัวดังกล่าว [ 16 ] [ 17 ]
- ^ครึ่งชีวิตของ ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของ พลูโทเนียมนั้นยาวนานพอที่จะทำให้มันเป็นธาตุดั้งเดิมได้เช่นกัน การศึกษาในปี 1971 อ้างว่าตรวจพบพลูโทเนียมดั้งเดิม [ 18 ]แต่การศึกษาล่าสุดจากปี 2012 ไม่สามารถตรวจพบได้ [ 19 ] จากปริมาณเริ่มต้นที่เป็นไปได้ในระบบสุริยะ การทดลองในปัจจุบัน ณ ปี 2022 น่าจะยังห่างไกลจากการตรวจพบ 244 Puดั้งเดิมที่มีชีวิตประมาณหนึ่งอันดับ [ 20 ]
- ^พลูโตเนียมปริมาณเล็กน้อยยังถูกนำมายังโลกอย่างต่อเนื่องผ่านทางรังสีคอสมิก [ 21 ]
- ^ดูตัวอย่างเช่นโปสเตอร์ตารางธาตุที่จำหน่ายโดย Sigma-Aldrich
- ^ตามหลักแล้ว ไม่สามารถวาดออร์บิทัลเพื่อให้มั่นใจได้ว่าอิเล็กตรอนจะอยู่ภายในออร์บิทัลนั้นได้ แต่สามารถวาดเพื่อให้มั่นใจได้ว่ามีโอกาส 90% ที่จะเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น [ 41 ]
- ^ a bผู้เขียนมีความเห็นต่างกันว่า กฎ n + ℓได้รับการอนุมานจากกลศาสตร์ควอนตัมแล้วหรือไม่ Scerri อ้างว่ายังไม่ได้ รับการอนุมาน [ 290 ] [ 291 ]แม้ว่าจะมีความพยายามหลายครั้งก็ตาม[ 292 ]ในทางกลับกัน Ostrovsky ซึ่งอ้างเหตุผลดังกล่าวมาตั้งแต่ปี 1971 เขียนว่า "ผู้เขียนบางคนยืนยันว่า 'ยังไม่มีใครอนุมานกฎ n+l จากหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม' ในขณะที่คนอื่นๆ นำเสนอเหตุผลควอนตัมของกฎที่ไม่เคยถูกโต้แย้ง" [ 293 ]ผู้เขียนคนอื่นๆ โต้แย้งว่าการอนุมานดังกล่าวไม่จำเป็น เพราะยอมรับข้อยกเว้นได้[ 294 ]
- ^ เมื่ออิเล็กตรอนสองถึงสี่ตัวถูกกำจัดออกไป ออร์บิทัล d และ f มักจะมีพลังงานต่ำกว่าออร์บิทัล s: [ 52 ]
- 1s ≪ 2s < 2p ≪ 3s < 3p ≪ 3d < 4s < 4p ≪ 4d < 5s < 5p ≪ 4f < 5d < 6s < 6p ≪ 5f < 6d < 7s < 7p ≪ ...
- Cs 0 : 6s < 6p < 5d < 7s < 4f
- Ba + : 6s < 5d < 6p < 7s < 4f
- ลา2+ : 5d < 4f < 6s < 6p < 7s
- ซี3+ : 4f < 5d < 6s < 6p < 7s
- ^ในความเป็นจริง การจัดเรียงอิเล็กตรอนแสดงถึงการประมาณอันดับแรก: อะตอมมีอยู่จริงในสถานะซ้อนทับของการจัดเรียงหลายแบบ และอิเล็กตรอนในอะตอมนั้นไม่สามารถแยกแยะได้ [ 28 ]ธาตุในบล็อก d และ f มีการจัดเรียงหลายแบบที่แยกจากกันด้วยพลังงานเล็กน้อย และสามารถเปลี่ยนการจัดเรียงได้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมทางเคมี [ 52 ]ในธาตุบล็อก g บางชนิดที่ยังไม่ถูกค้นพบ การผสมผสานของการจัดเรียงอาจมีความสำคัญมากจนผลลัพธ์ไม่สามารถอธิบายได้ดีด้วยการจัดเรียงเพียงแบบเดียวอีกต่อไป [ 59 ]
- ^สารประกอบที่ใช้ออร์บิทัล 6d ของนิโฮเนียมเป็นออร์บิทัลวาเลนซ์ได้รับการศึกษาในเชิงทฤษฎีแล้ว แต่คาดว่าสารประกอบเหล่านั้นจะไม่เสถียรเกินกว่าจะสังเกตได้ [ 72 ]
- ^คุณสมบัติของธาตุ p-block ส่งผลต่อธาตุ s-block ที่ตามมา เปลือก 3s ในโซเดียมอยู่เหนือแกน 2p ที่มีสมมาตรแบบไคโน แต่เปลือก 4s ในโพแทสเซียมอยู่เหนือแกน 3p ที่ใหญ่กว่ามาก ดังนั้น แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วเราคาดว่าอะตอมของโพแทสเซียมจะมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมของโซเดียม แต่ความแตกต่างของขนาดกลับมากกว่าปกติ [ 97 ]
- ^ยังมีออกไซด์ที่ต่ำกว่าอีกมากมาย เช่นฟอสฟอรัสในหมู่ 15 ก่อตัวเป็นออกไซด์สองชนิดคือ P O และ P O [ 114 ]
- ^สถานะออกซิเดชันระดับกลางที่ "ต้องห้าม" ตามปกติอาจมีเสถียรภาพได้โดยการสร้างไดเมอร์เช่นใน [Cl Ga–GaCl ] 2− (แกลเลียมในสถานะออกซิเดชัน +2) หรือ S F (ซัลเฟอร์ในสถานะออกซิเดชัน +5) [ 141 ]สารประกอบบางชนิดที่ดูเหมือนจะอยู่ในสถานะออกซิเดชันระดับกลางดังกล่าว แท้จริงแล้วเป็นสารประกอบที่มีวาเลนซ์ผสม เช่น Sb O ซึ่งประกอบด้วยทั้ง Sb(III) และ Sb(V) [ 142 ]
- ^ขอบเขตระหว่างแรงกระจายตัวและพันธะโลหะค่อยเป็นค่อยไป เช่นเดียวกับระหว่างพันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์ คุณสมบัติโลหะเฉพาะตัวจะไม่ปรากฏในคลัสเตอร์ปรอทขนาดเล็ก แต่จะปรากฏในกลุ่มขนาดใหญ่ [ 152 ]
- ^ทั้งหมดนี้อธิบายสถานการณ์ที่ความดันมาตรฐาน ภายใต้ความดันที่สูงเพียงพอ ช่องว่างแถบของของแข็งใดๆ จะลดลงเหลือศูนย์และเกิดการเปลี่ยนเป็นโลหะ ดังนั้น ตัวอย่างเช่น ที่ความดันประมาณ 170 กิโลบาร์ไอโอดีนจะกลายเป็นโลหะ [ 153 ]และไฮโดรเจนที่เป็นโลหะควรจะเกิดขึ้นที่ความดันประมาณสี่ล้านบรรยากาศ [ 155 ]ดูค่าความดันการเปลี่ยนเป็นโลหะสำหรับค่าของอโลหะทั้งหมด
- ^คำอธิบายโครงสร้างที่เกิดจากธาตุต่างๆ สามารถพบได้ตลอดทั้ง Greenwood และ Earnshaw มีกรณีขอบเขตสองกรณี รูปแบบที่เสถียรที่สุดของสารหนูนำไฟฟ้าได้เหมือนโลหะ แต่พันธะจะกระจุกตัวอยู่กับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดมากกว่าโครงสร้างที่คล้ายกันของแอนติโมนีและบิสมัท [ 158 ]และแตกต่างจากโลหะทั่วไปตรงที่มันไม่มีช่วงของเหลวที่ยาว แต่กลับระเหิดแทน ดังนั้นโครงสร้างของมันจึงควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นพันธะโควาเลนต์แบบเครือข่าย [ 159 ]คาร์บอนในรูปของกราไฟต์แสดงการนำไฟฟ้าแบบโลหะขนานกับระนาบ แต่เป็นสารกึ่งตัวนำตั้งฉากกับระนาบเหล่านั้น การคำนวณบางอย่างทำนายว่าโคเปอร์นิเซียมและเฟลโรเวียมเป็นอโลหะ [ 160 ] [ 161 ]แต่การทดลองล่าสุดเกี่ยวกับพวกมันชี้ให้เห็นว่าพวกมันเป็นโลหะ [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ]แอสตาทีนถูกคำนวณให้กลายเป็นโลหะภายใต้สภาวะมาตรฐาน [ 165 ]ดังนั้นคาดว่าเทนเนสซีนก็ควรจะเป็นเช่นนั้นเช่นกัน [ 166 ]
- ^ดูจุดหลอมเหลวของธาตุ (หน้าข้อมูล)น่าจะเป็นเช่นเดียวกันสำหรับฟรานเซียม แต่เนื่องจากความไม่เสถียรอย่างมาก จึงไม่เคยมีการยืนยันทางทดลองมาก่อน โคเปอร์นิเซียมและเฟลโรเวียมคาดว่าจะเป็นของเหลว [ 160 ] [ 161 ]คล้ายกับปรอท และหลักฐานจากการทดลองชี้ให้เห็นว่าพวกมันเป็นโลหะ [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ]
- ^ a bดูรายการของโลหะกึ่งโลหะตัวอย่างเช่น ตารางธาตุที่ใช้โดยสมาคมเคมีแห่งอเมริกาจัดโพโลเนียมเป็นโลหะกึ่งโลหะ[ 177 ]แต่ตารางธาตุที่ใช้โดยราชสมาคมเคมีไม่ได้ จัดโพโลเนียมเป็นโลหะกึ่งโลหะ [ 178 ]และตารางธาตุที่รวมอยู่ในสารานุกรมบริแทนนิกาไม่ได้กล่าวถึงโลหะกึ่งโลหะหรือโลหะกึ่งตัวนำเลย[ 179 ]การจัดประเภทอาจเปลี่ยนแปลงได้แม้ในงานชิ้นเดียวกัน ตัวอย่างเช่น หนังสือChemistry of the Non-Metallic Elements (1966) ของ Sherwin และ Weston มีตารางธาตุในหน้า 7 ที่จัดแอนติโมนีเป็นอโลหะ แต่ในหน้า 115 กลับเรียกว่าเป็นโลหะ[ 180 ]
- ^ Demkov และ Ostrovsky พิจารณาศักยภาพที่และเป็นพารามิเตอร์คงที่ ซึ่งเข้าใกล้ศักยภาพคูลอมบ์สำหรับค่าเล็กๆเมื่อตามเงื่อนไขที่คำตอบพลังงานศูนย์ของสมการชโรดิงเกอร์สำหรับศักยภาพนี้สามารถอธิบายได้ทางวิเคราะห์ด้วยพหุนามเกเกนเบาเออร์เมื่อผ่านค่าเหล่านี้แต่ละค่า แมนิโฟลด์ที่ประกอบด้วยสถานะทั้งหมดที่มีค่าของ นั้นๆจะเกิดขึ้นที่พลังงานศูนย์แล้วกลายเป็นพันธะ ฟื้นคืนลำดับมาเดลุง การพิจารณาทฤษฎีการรบกวนแสดงให้เห็นว่าสถานะที่มีค่า น้อยกว่าจะมีพลังงานต่ำกว่า และออร์บิทัล s (ที่มี) มีพลังงานเข้าใกล้กลุ่ม ถัดไป [ 241 ] [ 91 ]
- ^ตัวอย่างเช่น แอคติไนด์ในยุคแรกๆ ยังคงมีพฤติกรรมคล้ายกับโลหะทรานซิชันบล็อก d ในแง่ของแนวโน้มที่จะมีสถานะออกซิเดชันสูง ตั้งแต่แอคติเนียมไปจนถึงยูเรเนียม แม้ว่าจริงๆ แล้วจะมีเพียงแอคติเนียมและทอเรียมเท่านั้นที่มีโครงสร้างคล้ายบล็อก d ในเฟสแก๊ส อิเล็กตรอน f ปรากฏขึ้นแล้วที่โปรแทคติเนียม [ 111 ]โครงสร้างที่แท้จริงของยูเรเนียมคือ [Rn]5f 3 6d 1 7s 2ซึ่งจริงๆ แล้วคล้ายคลึงกับที่ฮุนด์สันนิษฐานไว้สำหรับแลนทานไนด์ แต่ยูเรเนียมไม่ชอบสถานะไตรวาเลนต์ แต่ชอบที่จะเป็นเตตระวาเลนต์หรือเฮกซาวาเลนต์ [ 54 ]ในทางกลับกัน โครงสร้างคล้ายแลนทานไนด์สำหรับแอคติไนด์เริ่มต้นที่พลูโทเนียม แต่การเปลี่ยนแปลงไปสู่พฤติกรรมคล้ายแลนทานไนด์นั้นชัดเจนเฉพาะที่คูเรียมเท่านั้น ธาตุระหว่างยูเรเนียมและคูเรียมก่อให้เกิดการเปลี่ยนผ่านจากพฤติกรรมคล้ายโลหะทรานซิชันไปสู่พฤติกรรมคล้ายแลนทานไนด์ [ 111 ]ดังนั้นพฤติกรรมทางเคมีและการจัดเรียงอิเล็กตรอนจึงไม่ตรงกันเป๊ะ [ 111 ]
- ^ในที่สุดก็มีการค้นพบว่าเทคนีเซียม โพรมีเทียม แอสตาไทน์ เนปทูเนียม และพลูโทเนียม ก็มีอยู่ในธรรมชาติเช่นกัน แม้ว่าจะอยู่ในปริมาณน้อยมากก็ตาม ดูไทม์ไลน์ของการค้นพบธาตุเคมี
บรรณานุกรม
- กรีนวูด, นอร์แมน เอ็น. ; เอิร์นชอว์, อลัน (1997). เคมีของธาตุ (ฉบับที่ 2). บัตเตอร์เวิร์ธ-ไฮเนมันน์. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN 978-0-08-037941-8.
- Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). เคมีทั่วไป: หลักการและการประยุกต์ใช้สมัยใหม่ (ฉบับที่ 8). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-014329-7LCCN 2001032331 OCLC 46872308
- Scerri, Eric R. (2020). ตารางธาตุ เรื่องราวและความสำคัญของมัน (ฉบับที่ 2). นิวยอร์ก: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด. ISBN 978-0-19-091436-3.
- Siekierski, S.; Burgess, J. (2002). เคมีธาตุฉบับย่อ . Horwood. ISBN 978-1-898563-71-6.
- วูล์ฟสเบิร์ก, แกรี่ (2000). เคมีอนินทรีย์ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์. ISBN 978-1-891389-01-6.
อ่านเพิ่มเติม
- คาลโว, มิเกล (2019) คอนสตรูเยนโดลาทาบลาเปริโอดิกา . ซาราโกซา, สเปน: Prames. พี 407. ไอเอสบีเอ็น 978-84-8321-908-9.
- เอมสลีย์, เจ. (2011). "ตารางธาตุ". องค์ประกอบพื้นฐานของธรรมชาติ: คู่มือธาตุ A-Z (ฉบับใหม่). อ็อกซ์ฟอร์ด: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด. หน้า 634–651 . ISBN 978-0-19-960563-7.
- Fontani, Marco; Costa, Mariagrazia; Orna, Mary Virginia (2007). ธาตุที่สาบสูญ: ด้านมืดของตารางธาตุ . อ็อกซ์ฟอร์ด: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด. หน้า 508. ISBN 978-0-19-938334-4.
- Mazurs, EG (1974). การนำเสนอเชิงกราฟิกของระบบตารางธาตุในช่วงหนึ่งร้อยปี . อลาบามา: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอลาบามา. ISBN 978-0-19-960563-7.
- Rouvray, DH; King, RB, บรรณาธิการ (2004). ตารางธาตุ: สู่ศตวรรษที่ 21.รายงานการประชุมนานาชาติว่าด้วยตารางธาตุ ครั้งที่ 2 ภาค 1, Kananaskis Guest Ranch, Alberta, 14–20 กรกฎาคม 2003. Baldock, Hertfordshire: Research Studies Press. ISBN 978-0-86380-292-8.
- Rouvray, DH; King, RB, บรรณาธิการ (2006). คณิตศาสตร์ของตารางธาตุ . รายงานการประชุมนานาชาติว่าด้วยตารางธาตุ ครั้งที่ 2 ภาค 2, Kananaskis Guest Ranch, Alberta, 14–20 กรกฎาคม 2003. นิวยอร์ก: Nova Science. ISBN 978-1-59454-259-6.
- Scerri, E (ไม่มีวันที่). "หนังสือเกี่ยวกับธาตุและตารางธาตุ" (PDF) . เก็บถาวร(PDF)จากต้นฉบับเมื่อวันที่ 11 สิงหาคม 2020. สืบค้นเมื่อ9 กรกฎาคม 2018 .
- Scerri, E.; Restrepo, G, บรรณาธิการ (2018). จากเมนเดเลฟถึงโอกาเนสสัน: มุมมองสหวิทยาการเกี่ยวกับตารางธาตุ . รายงานการประชุมวิชาการนานาชาติว่าด้วยตารางธาตุ ครั้งที่ 3, คุสโก, เปรู 14–16 สิงหาคม 2012. อ็อกซ์ฟอร์ด: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด. ISBN 978-0-86380-292-8.
- van Spronsen, JW (1969). ระบบตารางธาตุ: ประวัติศาสตร์ร้อยปีแรก . อัมสเตอร์ดัม: Elsevier. ISBN 978-0-444-40776-4.
- เวิร์ด, ม., เอ็ด. (1971) Atti del convegno Mendeleeviano: Periodicità e simmetrie nella struttura elementare della materia [ การดำเนินการของการประชุม Mendeleevian: ช่วงเวลาและความสมมาตรในโครงสร้างเบื้องต้นของสสาร ] การประชุมนานาชาติครั้งที่ 1 บนตารางธาตุ โตริโน-โรมา 15-21 กันยายน พ.ศ. 2512 โตริโน: Accademia delle Scienze di Torino
ลิงก์ภายนอก
คำจำกัดความจากวิกิพีเดีย
สื่อจากคอมมอนส์
คำคมจากวิกิคำคม
ข้อความจาก Wikisource
ตำราเรียนจากวิกิบุ๊ก
แหล่งข้อมูลจาก Wikiversity
- หน้าหัวข้อ"ตารางธาตุ" ใน คลังข้อมูลดิจิทัล ของ สถาบันประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ นำเสนอภาพแสดงตารางธาตุที่คัดสรรมาแล้ว โดยเน้นรูปแบบต่างๆ เช่น วงกลม ทรงกระบอก ทรงพีระมิด ทรงเกลียว และทรงสามเหลี่ยม
- ตารางธาตุตามระบบ IUPAC
- ตารางธาตุแบบไดนามิกพร้อมเลย์เอาต์แบบโต้ตอบ
- เอริค สเคอร์รีนักปรัชญาวิทยาศาสตร์ชั้นนำผู้เชี่ยวชาญด้านประวัติศาสตร์และปรัชญาของตารางธาตุ
- ฐานข้อมูลตารางธาตุทางอินเทอร์เน็ต
- ตารางธาตุของธาตุที่ใกล้สูญพันธุ์
- ตารางธาตุของตัวอย่าง
- ตารางธาตุของวิดีโอเก็บถาวรเมื่อวันที่ 3 กรกฎาคม 2023 ที่Wayback Machine
- เว็บเอเลเมนต์
- ตารางแสดงความสัมพันธ์ระหว่างธาตุต่างๆ (Periodic Graphics of Elements) ถูกเก็บถาวรไว้เมื่อวันที่ 30 ธันวาคม 2022 ที่Wayback Machine