ตารางธาตุ: มันทำงานอย่างไรและใครเป็นผู้สร้าง

ตารางธาตุหรือที่เรียกว่าตารางธาตุ เป็นการจัดเรียงองค์ประกอบทางเคมีที่รู้จัก 118 องค์ประกอบอย่างเป็นระบบ องค์ประกอบทางเคมีจะเรียงจากซ้ายไปขวาและบนลงล่างตามลำดับการเพิ่มเลขอะตอมหรือจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสซึ่งโดยทั่วไปจะเกิดขึ้นพร้อมกับมวลอะตอมที่เพิ่มขึ้น

การจัดตารางธาตุจะให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติขององค์ประกอบ อ่านต่อเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการสร้างตารางธาตุเมื่อ 150 กว่าปีก่อน และเหตุใดจึงนำมาใช้ในปัจจุบัน

ที่เกี่ยวข้อง:

ใครเป็นผู้สร้างตารางธาตุ?

ดมิตรี เมนเดเลเยฟ นักเคมีและนักประดิษฐ์ชาวรัสเซีย ถือเป็น "บิดา" ของตารางธาตุราชสมาคมเคมี- ในทศวรรษที่ 1860 Mendeleev เป็นวิทยากรที่ได้รับความนิยมในมหาวิทยาลัยแห่งหนึ่งในเมืองเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ประเทศรัสเซีย ในเวลานั้น ไม่มีหนังสือเรียนเคมีอินทรีย์สมัยใหม่ในภาษารัสเซีย ดังนั้น Mendeleev จึงตัดสินใจเขียนเล่มหนึ่ง ในขณะที่เขากำลังเขียนหนังสือเล่มนั้นชื่อ "หลักการเคมี" (สองเล่ม พ.ศ. 2411-2413) เขาได้จัดการกับปัญหาองค์ประกอบที่ไม่เป็นระเบียบไปพร้อม ๆ กันข่านอะคาเดมี่-

การจัดองค์ประกอบต่างๆ ตามลำดับจะค่อนข้างยาก ในขณะนั้น มีองค์ประกอบทางเคมีที่รู้จักอยู่ 63 องค์ประกอบ แต่ละองค์ประกอบมีน้ำหนักอะตอมคำนวณโดยใช้สมมติฐานของอาโวกาโดร ซึ่งระบุว่าก๊าซมีปริมาตรเท่ากันเมื่อเก็บไว้ที่เดิมและความดันจะยึดจำนวนโมเลกุลเท่ากัน

ในเวลานั้นมีเพียงสองกลยุทธ์ในการจัดหมวดหมู่องค์ประกอบเหล่านี้: แยกพวกมันออกเป็นโลหะและอโลหะ หรือจัดกลุ่มพวกมันตามจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุ (อิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุด) ส่วนแรกของหนังสือของ Mendeleev เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบที่รู้จักเพียงแปดองค์ประกอบ ได้แก่ คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน คลอรีน ฟลูออรีน โบรมีน และไอโอดีน และกลยุทธ์ทั้งสองนี้ใช้ได้กับองค์ประกอบเฉพาะเหล่านั้น ตามที่ Michael D. Gordin กล่าวในหนังสือของเขา "สิ่งที่เป็นระเบียบ: Dmitrii Mendeleev และเงาของตารางธาตุ" (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ฉบับแก้ไขปี 2018) แต่พวกมันไม่เพียงพอที่จะแยกแยะองค์ประกอบทางเคมีเพิ่มเติมอีก 55 ชนิดที่รู้จักในขณะนั้นได้อย่างมีประโยชน์

ดมิทรี เมนเดเลเยฟ.(เครดิตรูปภาพ: รูปภาพมรดกผ่าน Getty Images)

ดังนั้น ตาม.ราชสมาคมเคมีเมนเดเลเยฟเขียนคุณสมบัติของแต่ละองค์ประกอบลงบนการ์ดและเริ่มเรียงลำดับโดยการเพิ่มน้ำหนักอะตอม นี่คือตอนที่เขาสังเกตเห็นความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักอะตอมและคุณสมบัติทางเคมี

อย่างไรก็ตาม "ยูเรก้า!" นั่นเอง ช่วงเวลาที่นำ Mendeleev ไปสู่กลยุทธ์การเรียงลำดับตารางธาตุที่สมบูรณ์ยังคงถูกปกคลุมไปด้วยความลึกลับ "เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างกระบวนการขึ้นมาใหม่โดยที่เมนเดเลเยฟใช้ในการจัดองค์ประกอบตามช่วงเวลาของเขาในแง่ของน้ำหนักอะตอม" กอร์ดินเขียนถึงตารางธาตุฉบับสมบูรณ์ “ปัญหาจากมุมมองของนักประวัติศาสตร์ก็คือ แม้ว่า Mendeleev จะเก็บเอกสารและร่างเกือบทุกฉบับที่จับมือของเขาหลังจากที่เขาเชื่อว่าเขาจะมีชื่อเสียง แต่เขาก็ไม่ได้ทำเช่นนั้นก่อนที่จะมีการกำหนดกฎเป็นระยะ”

กอร์ดินกล่าวต่อว่า "มีสองวิธีพื้นฐานที่เมนเดเลเยฟสามารถย้ายจากการยอมรับความสำคัญของน้ำหนักอะตอมในฐานะเครื่องมือในการจำแนกประเภทที่ดี มาสู่การเขียนแบบร่างของระบบคาบ: เขาจะเขียนองค์ประกอบตามลำดับน้ำหนักอะตอมเป็นแถวและ สังเกตเห็นการเกิดขึ้นซ้ำๆ เป็นระยะๆ หรือเขารวบรวม 'กลุ่มตามธรรมชาติ' ของธาตุต่างๆ เข้าด้วยกัน เช่น ฮาโลเจนและโลหะอัลคาไล และสังเกตเห็นรูปแบบของน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น" ข้อความเดียวที่ทราบจาก Mendeleev ที่เกี่ยวข้องกับวิธีการของเขาเกิดขึ้นในเดือนเมษายน พ.ศ. 2412 เขาเขียนว่าเขา "รวบรวมศพที่มีน้ำหนักอะตอมต่ำสุดและจัดวางตามลำดับการเพิ่มน้ำหนักอะตอม" ตามหนังสือของกอร์ดิน

ไม่ว่ากระบวนการคิดของเขาจะเป็นเช่นไร Mendeleev ก็จัดองค์ประกอบต่างๆ ตามน้ำหนักอะตอมและเวเลนซ์อิเล็กตรอนในที่สุด เขาไม่เพียงแต่เว้นที่ว่างให้กับธาตุที่ยังไม่ถูกค้นพบเท่านั้น แต่เขายังทำนายคุณสมบัติของธาตุทั้ง 5 และสารประกอบของพวกมันอีกด้วย ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2412 เขาได้นำเสนอข้อค้นพบดังกล่าวต่อสมาคมเคมีแห่งรัสเซีย ต่อมาในปีนั้น ระบบธาตุใหม่ของเขาได้รับการตีพิมพ์เป็นนามธรรมในวารสารเคมีของเยอรมันวารสารเคมี(วารสารเคมี) ตามที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก-

ตารางธาตุแรกของ Mendeleev แสดงไว้ที่นี่(เครดิตภาพ: โดเมนสาธารณะ, ผ่านวิกิมีเดีย)

การอ่านตารางธาตุ

ตารางธาตุประกอบด้วยข้อมูลจำนวนมหาศาล แต่ข้อมูลที่สำคัญที่สุดบางส่วนได้แก่ เลขอะตอม สัญลักษณ์อะตอม และมวลอะตอม

เลขอะตอม:จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมของธาตุนั้น จำนวนโปรตอนจะกำหนดว่าเป็นธาตุอะไรและกำหนดพฤติกรรมทางเคมีของมัน ตัวอย่างเช่น,มีโปรตอนหกตัวเสมอมีหนึ่งเสมอ และมีแปดเสมอ องค์ประกอบเดียวกันในรูปแบบต่างๆ ที่เรียกว่าไอโซโทป สามารถมีจำนวนนิวตรอนต่างกันได้ ธาตุยังสามารถได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อให้เกิดประจุได้ ซึ่งในกรณีนี้เรียกว่าไอออน

สัญลักษณ์อะตอม:สัญลักษณ์อะตอม (หรือสัญลักษณ์ธาตุ) เป็นตัวย่อที่เลือกให้เป็นตัวแทนของธาตุ ("C" สำหรับคาร์บอน "H" สำหรับไฮโดรเจนและ "O" สำหรับออกซิเจน ฯลฯ) สัญลักษณ์เหล่านี้ถูกใช้ในระดับสากลและบางครั้งก็เป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด เช่น สัญลักษณ์ของคือ "W" เพราะอีกชื่อหนึ่งขององค์ประกอบนั้นคือ วุลแฟรม สัญลักษณ์อะตอมของทองคำคือ "Au" เพราะคำว่าทองคำในภาษาละตินคือ "aurum"

มวลอะตอม:น้ำหนักอะตอมมาตรฐานของธาตุคือมวลเฉลี่ยของธาตุที่เขียนในหน่วยมวลอะตอม (amu) แม้ว่าแต่ละอะตอมจะมีหน่วยมวลอะตอมเป็นจำนวนเต็มโดยประมาณ คุณจะสังเกตเห็นว่ามวลอะตอมในตารางธาตุนั้นเป็นทศนิยม นั่นเป็นเพราะว่าตัวเลขนี้เป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของไอโซโทปต่างๆ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติของธาตุโดยพิจารณาจากความอุดมสมบูรณ์ของพวกมัน

มวลอะตอมของธาตุที่มนุษย์สร้างขึ้นบางชนิดจะซับซ้อนกว่าเล็กน้อย สำหรับองค์ประกอบ 93-118 ซึ่งเป็นธาตุทรานส์ยูเรเนียมที่สร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ (องค์ประกอบนอกเหนือจากยูเรเนียมซึ่งมีเลขอะตอม 92) ไม่มีความอุดมสมบูรณ์ "ตามธรรมชาติ" ตามที่ระบุไว้ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส (LANL)- ด้วยองค์ประกอบเหล่านี้ น้ำหนักอะตอมของไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุดจะถูกระบุไว้ในตารางธาตุ ตามข้อมูลจากสหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์นานาชาติ (IUPAC) น้ำหนักอะตอมเหล่านี้ควรได้รับการพิจารณาเป็นการชั่วคราว เนื่องจากไอโซโทปใหม่ที่มีครึ่งชีวิตยาวนานกว่า (ระยะเวลาที่องค์ประกอบนั้นใช้เวลา 50% ในการย่อยสลาย) สามารถเกิดขึ้นได้ในอนาคต ตามข้อมูลของแลน-

ธาตุที่หนักยิ่งยวดหรือธาตุที่มีเลขอะตอมมากกว่า 104 ก็จัดอยู่ในหมวดหมู่ที่ไม่เป็นธรรมชาติเช่นกัน ยิ่งนิวเคลียสของอะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนโปรตอนภายใน องค์ประกอบนั้นโดยทั่วไปก็จะยิ่งไม่เสถียรมากขึ้นเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ องค์ประกอบขนาดใหญ่เหล่านี้จึงเกิดขึ้นเพียงชั่วครู่และคงอยู่เพียงมิลลิวินาทีก่อนที่จะสลายไปเป็นองค์ประกอบที่เบากว่า ตามข้อมูลของ IUPAC ตัวอย่างเช่น ธาตุหนักยิ่งยวด 113, 115, 117 และ 118 เป็นในเดือนธันวาคม 2558 จบแถวหรือช่วงที่เจ็ดบนโต๊ะ ห้องทดลองหลายแห่งได้ผลิตองค์ประกอบที่มีน้ำหนักยิ่งยวดนี้ เลขอะตอม ชื่อชั่วคราว และชื่อทางการ ได้แก่

113: หนึ่งในนั้น (Uut)(ญ)
115: อุนอุนเพนเทียม (Uup)(แมค)
117: อูนอูนเซปเทียม (ใหม่)(ทส)
118: คืนหนึ่ง (อู้)(และ)

ตารางธาตุจัดอย่างไร?

ที่โดยน้ำหนักอะตอมและเวเลนซ์อิเล็กตรอน ตัวแปรเหล่านี้ทำให้ Mendeleev สามารถวางแต่ละองค์ประกอบในแถวใดแถวหนึ่ง (เรียกว่าจุด) และคอลัมน์ (เรียกว่ากลุ่ม) ตารางประกอบด้วยเจ็ดแถวและสิบแปดคอลัมน์

จำนวนของแต่ละแถวหรือคาบ ระบุจำนวนออร์บิทัลขององค์ประกอบในแถวนั้นห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส- (อะตอมมีโปรตอนและนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียส และรอบๆ มีอิเล็กตรอนจัดเรียงอยู่ในออร์บิทัล ออร์บิทัลอธิบายตำแหน่งของอิเล็กตรอนตลอดจนพฤติกรรมคล้ายคลื่นของมัน) นั่นหมายถึงองค์ประกอบทั้งหมดในช่วงที่สาม — โซเดียม แมกนีเซียม อลูมิเนียม ซิลิคอน ฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ คลอรีน และอาร์กอน มีออร์บิทัลของอะตอม 3 อะตอมที่มีอิเล็กตรอนอาศัยอยู่

คอลัมน์หรือหมู่ หมายถึงจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดของอะตอม สิ่งเหล่านี้เรียกว่าเวเลนซ์อิเล็กตรอน และพวกมันคืออิเล็กตรอนที่สามารถพันธะทางเคมีกับเวเลนซ์อิเล็กตรอนของธาตุอื่นได้ วาเลนซ์อิเล็กตรอนสามารถใช้ร่วมกันกับองค์ประกอบอื่นในพันธะโควาเลนต์หรือแลกเปลี่ยนผ่านพันธะไอออนิกตามมหาวิทยาลัยเพอร์ดู-

ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบในกลุ่ม 8A (หรือ VIIIA) ทั้งหมดมีอิเล็กตรอนครบแปดตัวในวงโคจรพลังงานสูงสุด นักเคมี William Reusch เขียนไว้บนหน้าเว็บของเขาที่มหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกน- องค์ประกอบที่อยู่ในคอลัมน์เดียวกันในตารางธาตุ (เรียกว่า "หมู่") มีการกำหนดค่าเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่เหมือนกัน และด้วยเหตุนี้จึงมีพฤติกรรมในลักษณะทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น ธาตุหมู่ 18 ทั้งหมดเป็นก๊าซเฉื่อย ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นใด

มีข้อยกเว้นบางประการสำหรับกฎข้อนี้ในองค์ประกอบการเปลี่ยนแปลง ซึ่งจะเติมคอลัมน์ที่สั้นกว่าที่กึ่งกลางของตารางธาตุ องค์ประกอบการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มีการเติม d-orbitals บางส่วน ซึ่งมีส่วนทำให้มีคุณสมบัติเฉพาะตัว สิ่งนี้ทำให้พวกมันแตกต่างจากองค์ประกอบกลุ่มหลักที่เติม s- และ p-orbitals เป็นหลัก

ลองตัวอย่าง: เราสามารถเลือกได้ซึ่งมีเลขอะตอม 34 หมายความว่ามีอิเล็กตรอนทั้งหมด 34 ตัวในอะตอมที่เป็นกลางของซีลีเนียม อโลหะนี้อยู่ในคาบ 4 กลุ่ม 6A นั่นหมายความว่าซีลีเนียมเก็บอิเล็กตรอนไว้ในวงโคจรของอะตอม 4 อะตอม และมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 6 ตัว หรืออิเล็กตรอน 6 ตัวอยู่ในวงโคจรด้านนอกสุด คุณยังสามารถหาจำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่ในออร์บิทัลที่ 1, 2 และ 3 ได้ด้วย โดยออร์บิทัลแรกสามารถบรรจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 2 ตัว ในขณะที่วงที่สองมีออร์บิทัลย่อย 4 ตัว และสามารถเก็บอิเล็กตรอนได้ทั้งหมด 8 ตัว เปลือกชั้นที่ 3 ของอะตอมซึ่งประกอบด้วยซับออร์บิทัล 9 ตัว สามารถจุอิเล็กตรอนได้สูงสุด 18 ตัวภาควิชาเคมีและชีวเคมีของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐฟลอริดา- นั่นหมายความว่าซีลีเนียมมีอิเล็กตรอน 2, 8, 18 และ 6 ตัวในออร์บิทัลอะตอมที่ 1, 2, 3 และ 4 ตามลำดับ

วิวัฒนาการของตารางธาตุ

เมื่อเมนเดเลเยฟตีพิมพ์ตารางธาตุดั้งเดิมเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2412 ตารางธาตุนี้มีธาตุเพียง 63 ธาตุ ซึ่งคิดเป็นครึ่งหนึ่งของจำนวนธาตุในปัจจุบัน โต๊ะของเขามีช่องว่างสำหรับองค์ประกอบที่ยังไม่ถูกค้นพบและ Mendeleevใช้ตำแหน่งของช่องว่างเหล่านี้เพื่อทำนายคุณสมบัติขององค์ประกอบใหม่ที่อาจเกิดขึ้น- ตัวอย่างหนึ่งของสิ่งนี้คือสิ่งที่ Mendeleev เรียกว่า "eka-aluminium" ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่นำเสนอซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายกับอะลูมิเนียม ไม่กี่ปีต่อมาองค์ประกอบนี้ถูกระบุว่าเป็นแกลเลียมและคุณสมบัติของมันได้รับการยืนยันแล้วว่าคล้ายคลึงกับคำทำนายของเมนเดเลเยฟมาก

ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 จำนวนองค์ประกอบที่รู้จักเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า องค์ประกอบที่เพิ่งค้นพบเหล่านั้นได้เติมเต็มช่องว่างในการออกแบบดั้งเดิมของ Mendeleev อย่างช้าๆ และขยายตารางไปสู่เลขอะตอมที่สูงขึ้นไปอีก ช่องว่างทั้งหมดถูกเติมเต็มอย่างเป็นทางการในตารางธาตุในปี 2010หลังจากการสังเคราะห์ธาตุ 117เทนเนสซี-

เป็นไปได้ตามทฤษฎีแล้วขยายตารางธาตุออกไปอีกเนื่องจากนักเคมีสังเคราะห์ธาตุที่หนักมากขึ้น ตารางธาตุจึงอาจไม่สมบูรณ์ได้ องค์ประกอบที่มนุษย์สร้างขึ้นเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคนั่นเองทุบอะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอมเข้าด้วยกันทำให้เกิดนิวเคลียสด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบที่มีน้ำหนักมากเป็นพิเศษเหล่านี้มีความไม่เสถียรสูงและทำได้ยาก “เราไม่รู้จริงๆ ว่าอะไรคือองค์ประกอบที่หนักที่สุดที่มีอยู่”วิโทลด์ นาซาเรวิชนักฟิสิกส์นิวเคลียร์จากมหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกนกล่าวกับนิตยสารสมิธโซเนียน

ตารางธาตุถูกนำมาใช้อย่างไรในปัจจุบัน?

เมื่อทราบว่าองค์ประกอบบางอย่างที่รวมเข้าด้วยกันบนโต๊ะมีลักษณะและพฤติกรรมบางอย่าง นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถคิดได้ว่าองค์ประกอบใดดีที่สุดสำหรับอุตสาหกรรมและกระบวนการบางอย่าง ตัวอย่างเช่น วิศวกรใช้การผสมผสานองค์ประกอบที่แตกต่างกันในกลุ่ม III และ V ของตารางเพื่อสร้างโลหะผสมเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และอินเดียมไนไตรด์ (InN) ตามสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ(นิสท์).

โดยทั่วไป นักเคมีและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ สามารถใช้ตารางเพื่อทำนายว่าองค์ประกอบบางอย่างจะมีปฏิกิริยาต่อกันอย่างไร ตัวอย่างเช่น โลหะอัลคาไลอยู่ในคอลัมน์แรกหรือกลุ่มแรกของตาราง และมีแนวโน้มที่จะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 1 ตัวและมีประจุ +1 ประจุนี้หมายความว่าพวกมัน "ทำปฏิกิริยาอย่างแรงกับน้ำ และรวมตัวกับอโลหะได้ง่าย" นักเคมี แอนน์ มารี เฮลเมนสไตน์ เขียนไว้คิดโคแมกนีเซียมซึ่งอยู่ในกลุ่มเดียวกับแคลเซียมกำลังกลายเป็นประโยชน์ในฐานะส่วนหนึ่งของโลหะผสมสำหรับการปลูกถ่ายกระดูก NIST กล่าว เนื่องจากโลหะผสมเหล่านี้สามารถย่อยสลายทางชีวภาพได้ จึงทำหน้าที่เป็นโครงนั่งร้านแล้วหายไปหลังจากกระดูกธรรมชาติงอกขึ้นมาบนโครงสร้าง

กว่าศตวรรษหลังจากการสร้างตารางธาตุยังคงเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญที่สุดทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นกรอบในการทำความเข้าใจองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร ไม่เพียงแต่จัดองค์ประกอบที่รู้จักทั้งหมดให้เป็นโครงสร้างที่สอดคล้องกัน แต่ยังทำหน้าที่เป็นแผนงานสำหรับการทำนายและสังเคราะห์องค์ประกอบใหม่ๆ และแนวทางนวัตกรรมทางเคมี

รายงานเพิ่มเติมโดย Traci Pedersen ผู้สนับสนุน WordsSideKick.com

แบบทดสอบตารางธาตุ

รับการค้นพบที่น่าสนใจที่สุดในโลกส่งตรงถึงกล่องจดหมายของคุณ