ตารางธาตุขององค์ประกอบ: วิธีการทำงานและใครสร้างมันขึ้นมา

ตารางธาตุหรือที่เรียกว่าตารางธาตุขององค์ประกอบเป็นระยะ ๆ คือการจัดเรียงขององค์ประกอบทางเคมีที่รู้จักกันดี 118 รายการ องค์ประกอบทางเคมีถูกจัดจากซ้ายไปขวาและบนลงล่างเพื่อเพิ่มจำนวนอะตอมหรือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสซึ่งโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นพร้อมกับมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น

องค์กรของตารางธาตุให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติขององค์ประกอบ อ่านต่อเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำตารางธาตุเมื่อ 150 ปีก่อนและทำไมมันถึงใช้ในวันนี้

ที่เกี่ยวข้อง:

ใครเป็นคนสร้างตารางธาตุ?

Dmitri Mendeleev นักเคมีและนักประดิษฐ์ชาวรัสเซียถือเป็น "พ่อ" ของตารางธาตุตามราชสมาคมเคมี- ในยุค 1860 Mendeleev เป็นอาจารย์ที่ได้รับความนิยมในมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กประเทศรัสเซีย ในเวลานั้นไม่มีตำราเคมีอินทรีย์ที่ทันสมัยในภาษารัสเซียจึงมีอยู่ดังนั้น Mendeleev จึงตัดสินใจเขียนบทความ ในขณะที่เขากำลังทำงานในหนังสือเล่มนั้นชื่อ "หลักการเคมี" (สองเล่ม 2411-2413) เขาได้จัดการกับปัญหาขององค์ประกอบที่ไม่เป็นระเบียบพร้อมกันตามKhan Academy-

การวางองค์ประกอบตามลำดับจะพิสูจน์ได้ยาก ในเวลานั้นมีองค์ประกอบทางเคมีที่รู้จักกัน 63 ตัวแต่ละตัวมีน้ำหนักอะตอมที่คำนวณโดยใช้สมมติฐานของ Avogadro ซึ่งระบุว่าปริมาณก๊าซเท่ากันเมื่อเก็บไว้ที่เดียวกันและความดันถือโมเลกุลจำนวนเท่ากัน

มีเพียงสองกลยุทธ์ที่มีอยู่ในเวลาที่จะจัดหมวดหมู่องค์ประกอบเหล่านี้: แยกออกเป็นโลหะและไม่ใช่โลหะหรือจัดกลุ่มตามจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์ (อิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุด) ส่วนแรกของหนังสือของ Mendeleev เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบที่รู้จักเพียงแปดองค์ประกอบ-คาร์บอน, ไฮโดรเจน, ออกซิเจน, ไนโตรเจน, คลอรีน, ฟลูออรีน, โบรมีนและไอโอดีน-และกลยุทธ์ทั้งสองนั้นทำงานได้สำหรับองค์ประกอบเฉพาะ แต่พวกเขาไม่เพียงพอที่จะจัดเรียงองค์ประกอบทางเคมีเพิ่มเติม 55 ที่รู้จักกันในเวลานั้น

Dmitri Mendeleev(เครดิตภาพ: ภาพมรดกผ่านภาพเก็ตตี้)

ดังนั้นตามราชสมาคมเคมี, Mendeleev เขียนคุณสมบัติของแต่ละองค์ประกอบบนการ์ดและเริ่มสั่งซื้อโดยการเพิ่มน้ำหนักอะตอม นี่คือเมื่อเขาสังเกตเห็นความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักอะตอมและคุณสมบัติทางเคมี

อย่างไรก็ตามแน่นอน "ยูเรก้า!" ช่วงเวลาที่นำ Mendeleev ไปสู่กลยุทธ์การเรียงลำดับของตารางธาตุที่สมบูรณ์ยังคงปกคลุมไปด้วยความลึกลับ “ มันเป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างกระบวนการที่ Mendeleev เข้ามาในองค์กรขององค์ประกอบของเขาในแง่ของน้ำหนักอะตอมของพวกเขา” กอร์ดินเขียนถึงตารางเต็มเวลา "ปัญหาจากมุมมองของนักประวัติศาสตร์คือในขณะที่ Mendeleev เก็บเอกสารไว้เกือบทุกฉบับและร่างที่ข้ามมือของเขาหลังจากที่เขาเชื่อว่าเขาจะมีชื่อเสียงเขาไม่ได้ทำเช่นนั้นก่อนที่จะกำหนดกฎหมายเป็นระยะ"

กอร์นินกล่าวต่อไปว่า "มีสองวิธีพื้นฐานที่เมนเดลีฟสามารถย้ายจากการรับรู้ถึงความสำคัญของน้ำหนักอะตอมเป็นเครื่องมือการจำแนกที่ดีไปยังร่างของระบบเป็นระยะ: ไม่ว่าเขา คำแถลงที่รู้จักเพียงอย่างเดียวจาก Mendeleev ที่เกี่ยวข้องกับวิธีการของเขามาในเดือนเมษายน ค.ศ. 1869; เขาเขียนว่าเขา "รวบรวมศพด้วยน้ำหนักอะตอมต่ำที่สุดและวางไว้ตามคำสั่งของการเพิ่มน้ำหนักอะตอม" ตามหนังสือของกอร์ดิน

ไม่ว่ากระบวนการคิดของเขาจะเป็นอย่างไร Mendeleev ในที่สุดก็จัดองค์ประกอบตามทั้งน้ำหนักอะตอมและอิเล็กตรอนวาเลนซ์ ไม่เพียง แต่เขาจะออกจากพื้นที่สำหรับองค์ประกอบที่ยังไม่ได้ค้นพบ แต่เขาคาดการณ์คุณสมบัติของห้าองค์ประกอบเหล่านี้และสารประกอบของพวกเขา ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2412 เขานำเสนอผลการวิจัยต่อสมาคมเคมีรัสเซีย ต่อมาในปีนั้นระบบระยะเวลาใหม่ของเขาได้รับการตีพิมพ์เป็นนามธรรมในวารสารเคมีของเยอรมันวารสารเคมี(วารสารเคมี) ตามมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียซานดิเอโก-

ตารางธาตุแรกของ Mendeleev แสดงไว้ที่นี่(เครดิตภาพ: โดเมนสาธารณะผ่าน Wikimedia)

อ่านตารางธาตุ

ตารางธาตุมีข้อมูลจำนวนมหาศาล แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือตัวเลขอะตอมสัญลักษณ์อะตอมและมวลอะตอม

หมายเลขอะตอม:จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าจำนวนอะตอมขององค์ประกอบนั้น จำนวนโปรตอนกำหนดองค์ประกอบที่เป็นและกำหนดพฤติกรรมทางเคมี ตัวอย่างเช่น,มีโปรตอนหกตัวเสมอมีอยู่เสมอ และมีแปดเสมอ องค์ประกอบเดียวกันรุ่นเดียวกันที่เรียกว่าไอโซโทปสามารถมีนิวตรอนจำนวนแตกต่างกัน องค์ประกอบยังสามารถได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อเรียกเก็บเงินซึ่งในกรณีนี้พวกเขาเรียกว่าไอออน

สัญลักษณ์อะตอม:สัญลักษณ์อะตอม (หรือสัญลักษณ์องค์ประกอบ) เป็นตัวย่อที่เลือกให้เป็นตัวแทนขององค์ประกอบ ("C" สำหรับคาร์บอน "H" สำหรับไฮโดรเจนและ "O" สำหรับออกซิเจน ฯลฯ ) สัญลักษณ์เหล่านี้ถูกใช้ในระดับสากลและบางครั้งก็ไม่คาดคิด ตัวอย่างเช่นสัญลักษณ์สำหรับคือ "W" เพราะชื่ออื่นสำหรับองค์ประกอบนั้นคือ Wolfram สัญลักษณ์อะตอมสำหรับทองคำคือ "Au" เพราะคำสำหรับทองคำในภาษาละตินคือ "Aurum"

มวลอะตอม:น้ำหนักอะตอมมาตรฐานขององค์ประกอบคือมวลเฉลี่ยขององค์ประกอบที่เขียนในหน่วยมวลอะตอม (AMU) แม้ว่าแต่ละอะตอมจะมีหน่วยมวลอะตอมจำนวนประมาณ แต่คุณจะสังเกตเห็นว่ามวลอะตอมในตารางธาตุนั้นเป็นทศนิยม นั่นเป็นเพราะจำนวนนั้นเป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติขององค์ประกอบตามความอุดมสมบูรณ์ของพวกเขา

มวลอะตอมสำหรับองค์ประกอบที่มนุษย์สร้างขึ้นบางอย่างนั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย สำหรับองค์ประกอบ 93-118 ซึ่งเป็นองค์ประกอบทรานส์-ยูเรเนียมที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ (องค์ประกอบนอกเหนือจากยูเรเนียมซึ่งมีจำนวนอะตอม 92) ไม่มีความอุดมสมบูรณ์ "ธรรมชาติ"ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos (LANL)- ด้วยองค์ประกอบเหล่านี้น้ำหนักอะตอมของไอโซโทปที่มีอายุยืนยาวที่สุดได้รับการจดทะเบียนในตารางธาตุตามสหภาพระหว่างประเทศของเคมีบริสุทธิ์และประยุกต์ (IUPAC) น้ำหนักอะตอมเหล่านี้ควรได้รับการพิจารณาชั่วคราวเนื่องจากไอโซโทปใหม่ที่มีครึ่งชีวิตที่ยาวนานขึ้น (ใช้เวลา 50% ขององค์ประกอบที่จะสลายตัว) ในอนาคตนคร Lann-

องค์ประกอบสุดยอดหรือองค์ประกอบที่มีตัวเลขอะตอมสูงกว่า 104 ก็พอดีกับหมวดหมู่ที่ไม่ใช่ธรรมชาตินี้ นิวเคลียสของอะตอมที่ใหญ่ขึ้นซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนโปรตอนภายใน - ยิ่งไม่เสถียรมากขึ้นโดยทั่วไป เช่นนี้องค์ประกอบที่มีขนาดใหญ่เหล่านี้หายวับไปซึ่งยาวนานเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีก่อนที่จะสลายตัวเป็นองค์ประกอบที่เบากว่าตาม IUPAC ตัวอย่างเช่นองค์ประกอบสุดยอด 113, 115, 117 และ 118ในเดือนธันวาคม 2558 ทำแถวที่เจ็ดหรือระยะเวลาบนโต๊ะ ห้องปฏิบัติการที่แตกต่างกันหลายแห่งสร้างองค์ประกอบสุดยอด ตัวเลขอะตอมชื่อชั่วคราวและชื่อทางการคือ:

113: Ununtrium (UUT)(NH)
115: Ununpentium (UUP)(MC)
117: Ununseptium (ใหม่),(TS)
118: Ununoctium (UUO)(และ)

ตารางธาตุจัดอย่างไร?

ที่โดยน้ำหนักอะตอมและอิเล็กตรอนวาเลนซ์ ตัวแปรเหล่านี้อนุญาตให้ Mendeleev วางแต่ละองค์ประกอบในแถวที่แน่นอน (เรียกว่าระยะเวลา) และคอลัมน์ (เรียกว่ากลุ่ม) ตารางประกอบด้วยเจ็ดแถวและสิบแปดคอลัมน์

จำนวนของแต่ละแถวหรือระยะเวลาระบุจำนวน orbitals สำหรับองค์ประกอบในแถวนั้นตามห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos- (อะตอมมีโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของพวกเขาและโดยรอบนั้นพวกมันมีอิเล็กตรอนของพวกเขาจัดเรียงในวงโคจรวงโคจรอธิบายตำแหน่งของอิเล็กตรอนเช่นเดียวกับพฤติกรรมที่เหมือนคลื่น) นั่นหมายถึงองค์ประกอบทั้งหมดในช่วงที่สาม-โซเดียมแมกนีเซียมอลูมิเนียม

คอลัมน์หรือกลุ่มหมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดของอะตอม สิ่งเหล่านี้เรียกว่าอิเล็กตรอนวาเลนซ์และพวกเขาเป็นอิเล็กตรอนที่สามารถเชื่อมต่อกับอิเล็กตรอนวาเลนซ์ขององค์ประกอบอื่น ๆ อิเล็กตรอนวาเลนซ์สามารถใช้ร่วมกับองค์ประกอบอื่นในพันธะโควาเลนต์หรือแลกเปลี่ยนผ่านพันธะไอออนิกตามมหาวิทยาลัยเพอร์ดู-

ตัวอย่างเช่นองค์ประกอบในกลุ่ม 8A (หรือ VIIIA) ล้วนมีชุดอิเล็กตรอนแปดชุดในวงโคจรที่มีพลังงานสูงสุดนักเคมี William Reusch เขียนบนหน้าเว็บของเขาที่มหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกน- องค์ประกอบที่ครอบครองคอลัมน์เดียวกันบนตารางธาตุ (เรียกว่า "กลุ่ม") มีการกำหนดค่าอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่เหมือนกันและทำงานในลักษณะที่คล้ายกันทางเคมี ตัวอย่างเช่นองค์ประกอบกลุ่ม 18 ทั้งหมดเป็นก๊าซเฉื่อยซึ่งหมายความว่าพวกเขาจะไม่ทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่น ๆ

มีข้อยกเว้นบางประการสำหรับกฎนี้ในองค์ประกอบการเปลี่ยนแปลงซึ่งเติมคอลัมน์ที่สั้นกว่าที่กึ่งกลางของตารางธาตุ องค์ประกอบการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้เติมเต็ม D-orbitals บางส่วนซึ่งนำไปสู่คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขา สิ่งนี้ทำให้พวกเขาแตกต่างจากองค์ประกอบกลุ่มหลักที่เติม S- และ P-orbitals เป็นหลัก

ลองตัวอย่าง: เราสามารถเลือกได้ซึ่งมีจำนวนอะตอม 34 ซึ่งหมายความว่ามีอิเล็กตรอนทั้งหมด 34 ตัวในอะตอมที่เป็นกลางของซีลีเนียม ไม่ใช่โลหะนี้อยู่ในช่วงเวลาที่ 4 กลุ่ม 6a นั่นหมายความว่าซีลีเนียมเก็บอิเล็กตรอนไว้ในวงโคจรปรมาณูสี่ตัวและมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์หกตัวหรืออิเล็กตรอนหกตัวในวงโคจรด้านนอกสุด นอกจากนี้คุณยังสามารถทราบจำนวนอิเล็กตรอนในวงโคจรแรกสองและสาม: วงโคจรแรกสามารถเก็บอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัวในขณะที่ที่สองมีสี่ suborbitals และสามารถเก็บอิเล็กตรอนได้ทั้งหมดแปดอิเล็กตรอน เปลือกที่สามของอะตอมซึ่งประกอบด้วยเก้า suborbitals สามารถเก็บได้สูงสุด 18 อิเล็กตรอนตามภาควิชาเคมีและชีวเคมีของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐฟลอริดา- นั่นหมายความว่าซีลีเนียมมีอิเล็กตรอน 2, 8, 18 และ 6 ในครั้งแรก, สอง, สามและสี่วงโคจรอะตอมตามลำดับ

วิวัฒนาการของตารางธาตุ

เมื่อ Mendeleev ตีพิมพ์ครั้งแรกที่ Table Table Original ในปี 1869 มันมีเพียง 63 องค์ประกอบ - ประมาณครึ่งเท่าที่มีอยู่ในปัจจุบัน โต๊ะของเขามีช่องว่างที่จะออกจากห้องสำหรับองค์ประกอบที่ยังไม่ได้ค้นพบและ Mendeleevใช้ตำแหน่งของช่องว่างเหล่านี้เพื่อทำนายคุณสมบัติขององค์ประกอบใหม่ที่มีศักยภาพ- ตัวอย่างหนึ่งของสิ่งนี้คือสิ่งที่ Mendeleev เรียกว่า "Eka-aluminium" องค์ประกอบที่เสนอพร้อมคุณสมบัติคล้ายกับอลูมิเนียม ไม่กี่ปีต่อมาองค์ประกอบนี้ถูกระบุว่าเป็นแกลเลียมและคุณสมบัติของมันได้รับการยืนยันว่าคล้ายกับการคาดการณ์ของ Mendeleev มาก

นับตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 จำนวนองค์ประกอบที่รู้จักได้เพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า องค์ประกอบที่ค้นพบใหม่เหล่านั้นค่อยๆเติมเต็มช่องว่างในการออกแบบดั้งเดิมของ Mendeleev และขยายตารางเป็นตัวเลขอะตอมที่สูงขึ้น ช่องว่างทั้งหมดถูกเติมอย่างเป็นทางการบนตารางธาตุใน2010'sหลังจากการสังเคราะห์องค์ประกอบ 117การมีเพศสัมพันธ์-

เป็นไปได้ในทางทฤษฎีแล้วขยายตารางเป็นระยะต่อไปในขณะที่นักเคมีสังเคราะห์องค์ประกอบที่หนักขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นตารางธาตุอาจไม่สมบูรณ์ องค์ประกอบที่มนุษย์สร้างขึ้นเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวเร่งอนุภาคที่สแมชอะตอมและอนุภาค subatomic เข้าด้วยกันสร้างนิวเคลียสด้วยโปรตอนและนิวตรอนพิเศษ อย่างไรก็ตามองค์ประกอบที่หนักหน่วงเหล่านี้มีความไม่แน่นอนและยากที่จะทำ “ เราไม่รู้จริงๆว่าองค์ประกอบที่หนักที่สุดที่มีอยู่คืออะไร”Witold Nazarewicz,นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ที่ Michigan State University บอกกับนิตยสาร Smithsonian

วันนี้ใช้ตารางธาตุเป็นอย่างไร?

โดยการรู้ว่าองค์ประกอบบางอย่างที่รวมเข้าด้วยกันบนโต๊ะมีลักษณะและพฤติกรรมบางอย่างนักวิทยาศาสตร์สามารถทราบได้ว่าสิ่งใดที่ดีที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมและกระบวนการบางอย่าง ตัวอย่างเช่นวิศวกรใช้การผสมผสานขององค์ประกอบที่แตกต่างกันในกลุ่ม III และ V ของตารางเพื่อสร้างโลหะผสมเซมิคอนดักเตอร์ใหม่เช่น Gallium Nitride (GAN) และ Indium Nitride (Inn)สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ(NIST)

โดยทั่วไปนักเคมีและนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ สามารถใช้ตารางเพื่อทำนายว่าองค์ประกอบบางอย่างจะตอบสนองต่อกันอย่างไร ตัวอย่างเช่นโลหะอัลคาไลอยู่ในคอลัมน์แรกหรือกลุ่มของตารางและมีแนวโน้มที่จะมีอิเล็กตรอนวาเลนซ์หนึ่งตัวและมีค่าใช้จ่าย +1 ค่าใช้จ่ายนี้หมายความว่าพวกเขา "ตอบสนองอย่างจริงจังกับน้ำและรวมเข้ากับ nonmetals" นักเคมี Anne Marie Helmenstine เขียนบนThoughtCo.แมกนีเซียมซึ่งอยู่ในกลุ่มเดียวกันบนโต๊ะเป็นแคลเซียมกำลังมีประโยชน์เป็นส่วนหนึ่งของโลหะผสมสำหรับการปลูกถ่ายกระดูก NIST กล่าว เนื่องจากโลหะผสมเหล่านี้สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพพวกมันทำหน้าที่เป็นนั่งร้านและจากนั้นก็หายไปหลังจากที่กระดูกธรรมชาติเติบโตขึ้นบนโครงสร้าง

กว่าศตวรรษหลังจากการสร้างตารางธาตุยังคงเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญที่สุดในด้านวิทยาศาสตร์ซึ่งเป็นกรอบสำหรับการทำความเข้าใจการสร้างบล็อกของสสาร ไม่เพียง แต่จัดองค์ประกอบที่รู้จักทั้งหมดให้เป็นโครงสร้างที่สอดคล้องกัน แต่ยังทำหน้าที่เป็นแผนงานสำหรับการทำนายและสังเคราะห์องค์ประกอบใหม่และแนวทางนวัตกรรมทางเคมี

การรายงานเพิ่มเติมโดย Traci Pedersen ผู้สนับสนุนวิทยาศาสตร์สด