ตารางธาตุและแนวโน้ม

- ใช้ตำแหน่งในตารางเป็นแผนที่ของการจัดเรียงอิเล็กตรอนและสมบัติที่เปลี่ยนเป็นแบบแผน ก่อนเปรียบเทียบให้ถามว่าโจทย์อยู่คาบเดียวกัน หมู่เดียวกัน หรือเป็นอนุภาคที่มีอิเล็กตรอนเท่ากัน

• พื้นฐานที่ใช้: เลขอะตอมเพิ่มจากซ้ายไปขวาและจากบนลงล่าง; เวเลนซ์อิเล็กตรอนมีบทบาทต่อสมบัติทางเคมีของธาตุ

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. ทิศทางแนวโน้มทั่วไปในตารางธาตุ

• การจัดธาตุตามตารางธาตุสะท้อนการเพิ่มขึ้นของเลขอะตอมและการจัดเรียงอิเล็กตรอน ซึ่งส่งผลต่อแนวโน้มสมบัติต่าง ๆ:

• แนวโน้มขนาดอะตอม (Atomic Radius):
  • ลดลงจากซ้ายไปขวาข้ามคาบ ($\rightarrow$)
  • เพิ่มขึ้นจากบนลงล่างตามหมู่ ($\downarrow$)
• แนวโน้มพลังงานไอออไนเซชัน (IE) และอิเล็กโทรเนกาติวิตี (EN):
  • มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นจากซ้ายไปขวาข้ามคาบ และลดลงจากบนลงล่างตามหมู่

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: แผนผังตำแหน่งธาตุและทิศทางแนวโน้มทั่วไปของสมบัติต่าง ๆ ในตารางธาตุ
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
    • รัศมีอะตอม: ลดลงเมื่อไปทางขวา ($\rightarrow$) และเพิ่มขึ้นเมื่อลงล่าง ($\downarrow$)
    • IE และ EN: มักเพิ่มขึ้นเมื่อไปทางขวาและขึ้นบน
    • ข้อควรระวังกำกับ: มีข้อยกเว้นตามโครงสร้างระดับย่อย ต้องอาศัยข้อมูลเชิงประจักษ์และนิยามประกอบ
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงทิศทางภาพรวมเชิงเปรียบเทียบ ไม่ได้แสดงค่าตัวเลขจริงและไม่สะท้อนข้อยกเว้นย่อยทั้งหมด

2. ปัจจัยควบคุมรัศมีอะตอมและระยะพันธะ

• การเคลื่อนที่ข้ามคาบ (ซ้ายไปขวา):
  • จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเพิ่มขึ้น แต่อิเล็กตรอนที่เพิ่มเข้าไปอยู่ในชั้นระดับพลังงานหลักเดียวกัน
  • แรงบังของอิเล็กตรอนชั้นใน (Shielding effect) เปลี่ยนแปลงน้อย ทำให้ ประจุนิวเคลียร์ยังผล ($Z_{\mathrm{eff}}$) สูงขึ้น จึงดึงดูดกลุ่มหมอกอิเล็กตรอนให้เข้ามาใกล้ชิดนิวเคลียสมากขึ้น รัศมีอะตอมจึงเล็กลง
• การเลื่อนลงหมู่ (บนลงล่าง):
  • มีจำนวนชั้นระดับพลังงานหลัก ($n$) เพิ่มขึ้นและเกิดการบังจากชั้นในมากขึ้น รัศมีอะตอมจึงมีขนาดใหญ่ขึ้น
• ระยะพันธะโควาเลนต์:
  • โดยประมาณเท่ากับผลรวมของรัศมีโควาเลนต์ของอะตอมคู่ร่วมพันธะ (สำหรับอันดับพันธะเดียวกัน) เช่น พันธะ $\mathrm{S-S}$ ยาวกว่า $\mathrm{O-O}$ เนื่องจากอะตอมซัลเฟอร์มีขนาดใหญ่กว่าออกซิเจน

3. พลังงานไอออไนเซชันและรัศมีของไอออน

• พลังงานไอออไนเซชันลำดับที่หนึ่ง ($\mathrm{IE}_1$):
  • พลังงานขั้นต่ำที่ใช้ดึงอิเล็กตรอน 1 ตัวออกจากอะตอมในสถานะพื้นและสถานะแก๊ส: $$\mathrm{X(g) \rightarrow X^+(g) + e^-}$$
  • $\mathrm{IE}_1$ มีค่าเป็นบวกเสมอ (กระบวนการดูดพลังงาน) แนวโน้มทั่วไปเพิ่มขึ้นตามคาบและลดลงตามหมู่ โดยมีข้อยกเว้นจากการจัดเรียงระดับย่อยที่เสถียร (เช่น ระดับ $s$ เต็ม หรือ $p$ ครึ่ง)
• รัศมีไอออน (Ionic Radius):
  • ไอออนบวก (Cation): เล็กกว่าอะตอมเดิม เพราะเสียอิเล็กตรอน แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนลดลง และบางกรณีเสียระดับพลังงานชั้นนอกสุดไป
  • ไอออนลบ (Anion): ใหญ่กว่าอะตอมเดิม เพราะรับอิเล็กตรอนเพิ่มเข้ามา แรงผลักระหว่างอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น
  • อนุกรมไอโซอิเล็กทรอนิก (Isoelectronic series): อนุภาคที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน อนุภาคที่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสมากกว่าจะมีแรงดึงดูดสูงกว่า ส่งผลให้รัศมีมีขนาดเล็กกว่า

4. อิเล็กโทรเนกาติวิตี สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน และความเป็นโลหะ

• อิเล็กโทรเนกาติวิตี (EN): ความสามารถในการดึงดูดคู่อิเล็กตรอนในพันธะเคมี มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นไปทางขวาและด้านบนของตารางธาตุ โดยทั่วไปไม่กำหนดค่าให้แก๊สมีตระกูลทุกกรณี
• ความเป็นโลหะ (Metallic character): เพิ่มขึ้นเมื่อเลื่อนลงด้านล่างและไปทางซ้ายของตารางธาตุ
• สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (EA): พลังงานที่เปลี่ยนแปลงเมื่ออะตอมในสถานะแก๊สรับอิเล็กตรอน มีแนวโน้มและข้อยกเว้นเฉพาะตัวมาก จึงต้องอาศัยข้อมูลที่โจทย์กำหนดเป็นหลัก

5. เปรียบเทียบปฏิกิริยารีดอกซ์ของฮาโลเจน

• ความสามารถในการเป็นตัวออกซิไดซ์:
  • โมเลกุลฮาโลเจน ($\mathrm{X}_2$) มีความสามารถในการรับอิเล็กตรอน (ตัวออกซิไดซ์) ลดลงตามหมู่: $$\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}$$
  • ความสามารถในการเป็นตัวรีดิวซ์ของแฮไลด์ไอออน ($\mathrm{X}^-$) มีแนวโน้มตรงกันข้าม: $\mathrm{I^- > Br^- > Cl^- > F^-}$
• การแทนที่ในปฏิกิริยารีดอกซ์:
  • ฮาโลเจนที่อยู่ด้านบนสามารถออกซิไดซ์ไอออนของฮาโลเจนที่อยู่ต่ำกว่าในหมู่ได้ เช่น $\mathrm{Cl_2}$ สามารถออกซิไดซ์ $\mathrm{I^-}$ ได้เป็น $\mathrm{I_2}$ แต่ $\mathrm{I_2}$ ไม่สามารถออกซิไดซ์ $\mathrm{Br^-}$ ได้เองตามธรรมชาติ และไม่มีฮาโลเจนใดสามารถออกซิไดซ์ $\mathrm{F^-}$ เป็น $\mathrm{F_2}$ ได้
  • เมื่อมีข้อมูลศักย์รีดักชันมาตรฐาน ($E^\circ$) ให้ยึดค่าที่กำหนดเป็นหลัก
• การทดสอบสีในชั้นตัวทำละลายอินทรีย์ ($\mathrm{CCl_4}$):
  • โมเลกุล $\mathrm{I_2}$ ในชั้น $\mathrm{CCl_4}$ ให้สีม่วง
  • โมเลกุล $\mathrm{Br_2}$ ในชั้น $\mathrm{CCl_4}$ ให้สีส้ม
  • แฮไลด์ไอออน ($\mathrm{I^-}, \mathrm{Br^-}$) ละลายในชั้นน้ำและไม่ให้สีดังกล่าวในชั้นอินทรีย์

6. คลอรีนทำปฏิกิริยากับปูนขาวเพื่อผลิตสารฟอกขาว

• ปฏิกิริยาการผลิตสารฟอกขาว:
  • ก๊าซคลอรีนทำปฏิกิริยากับแคลเซียมไฮดรอกไซด์ ($\mathrm{Ca(OH)_2}$ หรือปูนขาวชื้น) เกิดเป็นส่วนผสมสารฟอกขาวที่มีแคลเซียมไฮโปคลอไรต์ ($\mathrm{Ca(OCl)_2}$) และแคลเซียมคลอไรด์ ($\mathrm{CaCl_2}$): $$\mathrm{2Ca(OH)_2 + 2Cl_2 \rightarrow Ca(OCl)_2 + CaCl_2 + 2H_2O}$$
  • ข้อสังเกต: ตรวจสอบการดุลจำนวนอะตอมของ $\mathrm{Ca, Cl, O, H}$ ทั้งสองด้าน และระวังไม่สับสนกับสมการแยกสลายน้ำเกลือด้วยไฟฟ้า (Electrolysis of brine) ที่ใช้ผลิตก๊าซ $\mathrm{Cl_2}$

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด