สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบ

จากการศึกษาการจัดเรียงธาตุในตารางธาตุ ช่วยให้ทราบว่าตารางธาตุในปัจจุบันจัดธาตุเป็นหมู่และเป็นคาบโดยอาศัยสมบัติ บางประการที่คล้ายกัน สมบัติของธาตุตามหมู่และตามคาบซึ่งได้แก่ ขนาดอะตอม รัศมีไอออน พลังงาน ไอออไนเซชัน อิเล็กโทรเนกาติวิตี สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน จุดหลอมเหลวและจุดเดือด และเลขออกซิเดชันสมบัติดังกล่าวนี้จะมีแนวโน้มเป็นอย่างไรศึกษาได้ดังนี้

1.2.2.1  ขนาดอะตอม
ตามแบบจำลองอะตอมแบบกลุ่มหมอก อิเล็กตรอนที่อยู่รอบนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงและไม่ สามารถบอกตำแหน่งที่แน่นอนรวมทั้งไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่แน่นอนของ อิเล็กตรอนได้ นอกจากนี้อะตอมโดยทั่วไปไม่อยู่เป็นอะตอมเดี่ยวแต่จะมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่าง อะตอมไว้ด้วยกัน จึงเป็นเรื่องยากที่จะวัดขนาดของอะตอมที่อยู่ในภาวะอิสระหรือเป็นอะตอม เดี่ยวในทางปฏิบัติจึงบอกขนาดอะตอมด้วยรัศมีอะตอม ซึ่งมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะหว่างนิวเคลียสของอะตอมทั้งสองที่มีแรง ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมไว้ด้วยกันหรือที่อยู่ชิดกันรัศมีอะตอมมีหลายแบบซึ่ง ขึ้นอยู่กับชนิดของแรงที่ยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอม ดังตัวอย่าง
รัศมีโคเวเลนต์  คือระยะทางครึ่งหนึ่งของความยาวพันธะโคเวเลนต์*  ระหว่างอะตอมชนิดเดียวกัน ตัวอย่างรัศมีโคเวเลนต์ของไฮโดรเจนและคลอรีนแสดงได้ดังนี้
ความยาวพันธะ  H – H           =   74 pm
รัศมีโคเวเลนต์ของ H             =  \displaystyle \frac{{74}}{2}        =  37  pm
ความยาวพันธะ Cl – Cl           =   198 pm
รัศมีโคเวเลนต์ของ Cl             =  \displaystyle \frac{{198}}{2}     =  99  pm


รูป 1.23  รัศมีอะตอมของไฮโดรเจนและคลอรีน

ในกรณีที่เป็นพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมต่างชนิดกันเช่น  \displaystyle CCl_4  อาจหารัศมีอะตอมของธาตุทั้งสอง ในที่นี้คือคาร์บอนกับคลอรีนและทราบรัศมีอะตอมของธาตุคลอรีนดังตัวอย่าง
จากข้อมูลทราบว่า  ความยาวพันธะ  C-CI  = 176 pm
รัศมีอะตอมของ CI       = 99 pm
ดังนั้น                 รัศมีอะตอมของ  C        = (176-99)
= 77 pm

รัศมีแวนเดอร์วาลส์  คือระยะทางครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ใกล้ที่สุด ตัวอย่างรัศมีแวนเดอร์วาลส์ซึ่งหาจากอะตอมของแก๊สเฉื่อย เช่น รัศมีอะตอมของธาตุคริปทอน หรือหาจากโมเลกุลโคเวเลนต์ 2 โมเลกุลที่สัมผัสกัน เช่น โมเลกุลของแก๊สไฮโดรเจน 2 โมเลกุล ดังตัวอย่าง


รูป 1.24  รัศมีแวนเดอร์วาลส์ของคริปทอนและไฮโดรเจน

–  รัศมีโคเวเลนต์กับรัศมีแวนเดอร์วาลส์แตกต่างกันอย่างไร
–  ขนาดอะตอมของ H ที่เป็นรัศมีโคเวเลนต์กับรัศมีแวนเดอร์วาลส์มีค่าแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร
รัศมีโลหะ มีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมโลหะที่อยู่ใกล้กัน มากที่สุด เช่น ธาตุแมกนีเซียม มีระยะระหว่างนิวเคลียสของอะตอมสองอะตอมอยู่ใกล้กันที่สุดเท่ากับ 320 พิโกเมตร รัศมีอะตอมของโลหะแมกนีเซียมจึงมีค่าเท่ากับ \displaystyle \frac{{320}}{2}     ซึ่งเท่ากับ 160 พิโกเมตร
การศึกษารัศมีอะตอมของธาตุ ทำให้ทราบขนาดอะตอมของธาตุและสามารถเปรียบเทียบขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ใน คาบเดียวกันหรือหมู่เดียวกันได้ ตัวอย่างรัศมีอะตอมของธาตุในตารางธาตุ แสดงดังรูป 1.25

รูป  1.25  รัศมีอะตอม (พิโกเมตร) ของธาตุในตารางธาตุ

หมายเหตุ
ธาตุที่เป็นโลหะแสดงด้วยค่ารัศมีโลหะ ธาตุอโลหะเป็นรัศมีโคเวแลนต์ ส่วนธาตุหมู่ VIIA เป็นรัศมีแวนเดอร์วาลส์
เมื่อพิจารณาขนาดอะตอมของธาตุที่อยู่ในคาบเดียวกัน พบว่าขนาดอะตอมมีแนวโน้มลดลงเมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น อธิบายได้ว่าเนื่องจากธาตุในคาบเดียวกันมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนอยู่ในระดับ พลังงานเดียวกัน แต่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสแตกต่างกัน ธาตุที่มีจำนวนโปรตอนมากจะดึงดูดเวเลนซ์อิเล็กตรอนด้วยแรงที่มากกว่าธาตุที่ มีจำนวนโปรตอนน้อย เวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงเข้าใกล้นิวเคลียสได้มากกว่าทำให้อะตอมมีขนาดเล็กลง
ส่วนธาตุในหมู่เดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้นจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำนวนระดับพลังงานที่มี อิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นด้วย อิเล็กตรอนที่อยู่ชั้นในจึงเป็นคล้ายฉากกั้นแรงดึงดูดระหว่างโปรตอนใน นิวเคลียสกับเวเลนซ์อิเล็กตรอน ทำให้แรงดึงดูดต่อเวเลนซ์อิเล็กตรอนมีน้อย เป็นผลให้ธาตุในหมู่เดียวกันมีขนาดอะตอมใหญ่ขึ้นตามเลขอะตอม แสดงว่าการเพิ่มจำนวนระดับพลังงานมีผลต่อขนาดอะตอมมากกว่าการเพิ่มจำนวน โปรตอนในนิวเคลียส
1.2.2.2 รัศมีไอออน
อะตอมซึ่งมีจำนวนโปรตอนเท่ากับอิเล็กตรอน เมื่อรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาหรือเสียอิเล็กตรอนออกไปอะตอมจะกลายเป็นไอออน นักเรียนคิดว่าขนาดของไอออนกับขนาดอะตอมของธาตุเดียวกันจะแตกต่างกันหรือไม่
การบอกขนาดของไอออนทำได้เช่นเดียวกับการบอกขนาดอะตอม กล่าวคือจะบอกเป็นค่ารัศมีไอออน ซึ่งพิจารณาจากระยะระหว่างนิวเคลียสของไอออนคู่หนึ่งๆ ที่มีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันในโครงผนึก ตัวอย่างรัศมีไอออนของ \displaystyle Mg^{2 + }  และ \displaystyle O^{2 - }   ในสารประกอบ  MgO  แสดงดังรูป 1.26

รูป 1.26  รัศมีไอออนของ \displaystyle Mg^{2 + }  และ \displaystyle O^{2 - }  

รูป 1.27  เปรียบเทียบขนาดอะตอมกับไอออน
– ขนาดของ Mg กับ \displaystyle Mg^{2 + }  และ O กับ \displaystyle O^{2 - }    แตกต่างกันอย่างไร เพราะเหตุใด

เมื่อโลหะทำปฏิกิริยากับอโลหะ อะตอมของโลหะจะเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนกลายเป็นไอออนบวก จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมจึงลดลง ทำให้แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลงด้วย หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่าแรงดึงดูดระหว่างประจุในนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน จะเพิ่มมากขึ้นไอออนบวกจึงมีขนาดเล็กกว่าอะตอมเดิม ส่วนอะตอมของอโลหะนั้นส่วนใหญ่จะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามาและเกิดเป็นไอออน ลบ เนื่องจากมีการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอนจึงทำให้แรงผลักระหว่าง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อยู่รอบนิวเคลียสมีค่าสูงขึ้น ขอบเขตของกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนจะขยายออกไปจากเดิม ไอออนลบจึงมีมีขนาดใหญ่กว่าอะตอมเดิม ตัวอย่างขนาดอะตอมกับขนาดไอออนของธาตุแสดงดังรูป 1.28


รูป 1.28  รัศมีอะตอมและรัศมีไอออน (พิโกเมตร) ของธาตุบางชนิด

–  ขนาดไอออนตามหมู่มีแนวโน้มอย่างไร
–  \displaystyle Na^ + กับ \displaystyle F^ -  มีการจัดอิเล็กตรอนและขนาดไอออนแตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร
–  \displaystyle Na^ +   \displaystyle Mg^{2 + }   และ \displaystyle Al^{3 + }   มีขนาดไอออนแตกต่างกันอย่างไร

จากรูป 1.28  เมื่อพิจารณาแนวโน้มของรัศมีอะตอมและรัศมีไอออนตามหมู่ จะพบว่าหมู่ IA   IIA    IIIA และ VIIA   มีแนวโน้มเช่นเดียวกันคืออะตอมและไอออนมีขนาดเพิ่มขึ้นจากบนลงล่าง รัศมีไอออนบวกจะมีค่าน้อยกว่ารัศมีอะตอมแต่รัศมีไอออนลบจะมีค่ามากกว่ารัศมี อะตอมการเปรียบเทียบขนาดไอออนที่มีความหมาย จะเปรียบเทียบระหว่างไอออนที่มีการจัดอิเล็กตรอนเหมือนกันหรือมีจำนวน อิเล็กตรอนเท่ากัน เช่น  \displaystyle Na^ +  กับ  \displaystyle F^ -  ซึ่งมี 10 อิเล็กตรอนเท่ากันและจัดอิเล็กตรอนเป็น  พบว่า   \displaystyle Na^ +   มีขนาดไอออนเล็กกว่า  \displaystyle F^ -  ทั้งนี้เพราะ  \displaystyle Na^ +   มีประจุในนิวเคลียสมากกว่า  \displaystyle F^ -  ส่วนไอออนบวกที่จัดอิเล็กตรอนเหมือนกัน ไอออนบวกที่มีประจุมากจะมีขนาดเล็กกว่าไอออนบวกที่มีประจุน้อย นั่นคือไอออน 3+ จะมีขนาดเล็กกว่า 2+ และ 1+ ตามลำดับ

credit    : http://www.vcharkarn.com

ใส่ความเห็น

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s

สร้างเว็บไซต์หรือบล็อกฟรีที่ WordPress.com.

%d bloggers like this: